简单聊聊进程、线程、协程

要成为一个优秀的软件工程师，进程（process）、线程（thread）是一定要搞懂与掌握的知识点，不仅是因为它们是电脑科学根本的知识，更是因为懂得在适当的时机善用它们，可以增进程序的执行效率，也就是提升性能。

程序 Program

在了解进程与线程之前，得先谈谈 program 这个东西，其实所谓的 program 就是工程师编写的代码的集合，程序经过编译器或解释器处理后，被转化为机器可以理解和执行的形式。

进程 Process

Process 进程则是指被执行且载入内存的 program。 Process 也是 OS 分配资源的最小单位，可以从 OS 得到如 CPU Time、Memory…等资源，意思是这个 process 在运行时会消耗多少 CPU 与内存。下面是 MacOS 活动监视器的截图，相信不管是使用哪种操作系统的读者都有看过类似的界面，而监视器中列出的是你的电脑正在执行的应用程序，而它们其实就是一个个 process，可以从图片中看出每一个 process 消耗的 CPU、CPU 时间与每个 process 的独立 ID (PID)。

进程的优缺点与小结

• 优点：每个进程有自己独立的系统资源分配空间，不同进程之间的资源不共享，因此不需要特别对进程做互斥操作的处理。
• 缺点：建立进程以及进程的上下文切换（Context Switch）都较消耗资源，进程间若有通信的需求也较为复杂。

小结：程序 (Program)是写好尚未执行的代码，程序被执行后才会变成进程 (Process)。

线程 Thread

线程可以想像成存在于 process 里面，而一个进程里至少会有一个线程，前面有说 process 是 OS 分配资源的最小单位，而 thread 则是操作系统能够进行调度的最小单位，也就是说实际执行任务的并不是进程，而是进程中的线程，一个进程有可能有多个线程，其中多个线程可以共用进程的系统资源，可以把进程比喻为一个工厂，线程则是工厂里面的工人，负责任务的实际执行。

MultiProcessing 多进程 & MultiThreading 多线程

这两个概念我想继续利用工厂与工人的比喻会比较好理解与记忆。

Multiprocessing 好比建立许多工厂（通常会取 CPU 的数量），每个工厂中会分配ㄧ名员工(thread)执行工作，因此优势在于同一时间内可以完成较多的事。

Multithreading 则是将许多员工聚集到同一个工厂内，它的优势则是 有机会让相同的工作在比较短的时间内完成。

多线程的 Race Condition

刚刚有提到在多执行绪中 (Multithreading)，不同 thread 是可以共享资源的，而若两个 thread 若同时存取或改变全局变量，可能会发生同步 (Synchronization) 问题。若执行期间互抢资源，则可能产生死锁 (Deadlock)，因此使用多线程时必须特别注意避免这些状况发生。

Concurrent & Parallel 并发与并行

这两个是许多人容易误解的概念，然而透过上面的图就可以一目了然，Parallel 并行是利用多个 CPU 达到同时并行处理任务的需求（也就是同一个时间点有许多任务在同时执行），Concurrent 则是许多任务在争抢同一个 CPU 的资源，因此一个时间点只会有一个任务正在执行，只是因为切换非常快，使用者通常不会感觉到任务实际上一直在切换。

协程 Coroutine

协程是一种用户态的轻量级执行线程，协程的调度完全由使用者控制。

可以想像进程中有线程，而线程中则又有协程。而协程的调度完全由用户控制 ，协程也会有自己的 registers、context、stack 等等，并且由协程的调度器来控制目前由哪个协程执行，哪个协程要被 block 。process 及 thread 的调度，是由 CPU 内核去进行调度，而协程却不ㄧ样，OS 甚至不知道协程的存在，如果 coroutine 被卡住，则会在用户端直接切换另外一个 coroutine 给此 thread 继续执行，这样其他 coroutine 就不会被 block 住，让资源能够有效的被利用，借此实现 Concurrent 的概念。

相较于建立一个线程需要花费 MB 等级的内存，建立一个协程可以压到 KB 等级，协程间的切换也绝对快于线程间的切换。

小结

通过这篇文章讲了进程、线程、协程的概念，然而实际上要使用多进程、多线程开发时要考虑的因素真的很多，一不小心可能会造成上面提过的 race condition 或是性能不升反降的囧境，因此在使用上仍须经过谨慎考虑与实践验证的。