kotlin之协程(一),线程,进程,协程,协程可以替换线程吗?

2020-10-29 本文已影响0人不思进取的码农

kotlin之协程(一),线程,进程,协程,协程可以替换线程吗?
kotlin之协程(二),Kotlin协程是什么、挂起是什么、挂起的非阻塞式
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kotlin之协程(五),launch 函数以及协程的取消与超时
 kotlin之协程(六),协程中的 async和launch的区别以及runBlocking
kotlin之协程(七),协程中relay、yield 区别

前言

在DataStore里面有提到 DataStore是基于协程与Flow实现的,那么什么是协程呢?

先来回顾一下线程和进程

在了解协程之前,我们先回归一下进程和线程的概念

进程 直白地讲，进程就是应用程序的启动实例
线程 线程从属于进程，是程序的实际执行者。一个进程至少包含一个主线程，也可以有更多的子线程。并且线程拥有自己的栈空间

线程进程.jpeg

总结起来就是:对操作系统来说，线程是最小的执行单元，进程是最小的资源管理单元

无论进程还是线程都是有操作系统统一管理的
而线程具有五种状态,我们看一下状态的转化关系

线程转化关系.png

接下来我们了解一下并发和并行

并发
并发意味着应用程序同时（同时）在一项以上的任务上取得进展。好吧，如果计算机只有一个CPU，则应用程序可能无法在同一时间同时完成一项以上的任务，而是在应用程序中一次要处理多个任务。在开始下一项任务之前，它并没有完全完成一项任务。而是，CPU在不同任务之间切换，直到任务完成为止。

并发.png

即使其中只有一个线程在运行，也可以有一个并发应用程序

并行
并行是指应用程序将其任务分解为较小的子任务，这些子任务可以并行处理，例如在多个CPU上同时进行。

并行.png

为了实现真正的并行性，您的应用程序必须运行多个线程，或者至少能够调度要在其他线程，进程，CPU，图形卡等中执行的任务。

不得不说的进程和线程的痛点

(1)线程的调度与缺点

在同一个进程中并行运行多个线程，是对在同一台计算机上并行运行多个进程的模拟。因此，线程也被称为轻量级进程。与进程调度类似，CPU在线程之间快速切换，制造了线程并行运行的假象。

由于各个线程都可以访问进程地址空间的每一个内存地址，所以一个线程可以读、写，甚至清除另一个线程的堆栈。也就是说，线程之间是没有保护的。但要注意的是，每个线程都有自己的堆栈、程序计数器、寄存器等信息，这些不是共享的。

共享地址空间虽然可以方便地共享对象，但这也导致一个问题，那就是任何一个线程出错时，进程中的所有线程会跟着一起崩溃。这也是如Nginx等强调稳定性的服务坚持使用多进程模式的原因。事实上，无论基于多进程还是多线程，都难以实现高并发，这由三个原因所致

(2)线程内存占用

一是单个线程消耗的内存过多，比如64位的Linux为每个线程的栈分配了8MB的内存，通过ulimit -s可以查看线程的默认分配的内存。单位kb

(3)线程竞争

为了解决线程申请堆内存时，互相竞争的问题。每个线程预先在这个空间内申请堆空间还预分配了64MB的内存作为堆内存池。所以，我们没有足够的内存去开启几万个线程实现并发。

(4)线程切换耗时

线程的切换是由内核控制的，什么时候会切换线程呢？不只时间片用尽，当调用阻塞方法时，内核为了CPU 充分工作，也会切换到其他线程执行。一次上下文切换的成本在几十纳秒到几微秒间，当线程繁忙且数量众多时，这些切换会消耗绝大部分的CPU运算能力。

下图以磁盘IO为例，描述了多线程中使用阻塞方法读磁盘，2个线程间的切换方式。

线程切换耗时.png

那么，怎么才能实现高并发呢？把上图中本来由内核实现的请求切换工作，交由用户态的代码来完成就可以了。

协程

什么是协程

协程 - 也叫微线程，是一种新的多任务并发的操作手段

这中说话不够详细,我们换种说话

协程就是用户态的线程。通常创建协程时，会从进程的堆中分配一段内存作为协程的栈。线程的栈有8MB，而协程栈的大小通常只有几十 KB,更低的内存占用空间为高并发提供了保证

下面是关于协程这个概念的一些描述：

协程的开发人员 Roman Elizarov 是这样描述协程的：协程就像非常轻量级的线程。线程是由系统调度> 的，线程切换或线程阻塞的开销都比较大。而协程依赖于线程，但是协程挂起时不需要阻塞线程，几乎>是无代价的，协程是由开发者控制的。所以协程也像用户态的线程，非常轻量级，一个线程中可以创建>任意个协程。

对于多线程应用，CPU通过切片的方式来切换线程间的执行，线程切换时需要耗时（保存状态，下次继续）。协程，则只使用一个线程，在一个线程中规定某个代码块执行顺序。协程能保留上一次调用时的状态，不需要像线程一样用回调函数，所以性能上会有提升。缺点是本质是个单线程，不能利用到单个CPU的多个核

协程的调度

语言的运行时系统会帮助我们自动地创建和销毁系统级的线程。这里的系统级线程指的就是我们刚刚说过的操作系统提供的线程。

PHP协程的问题

为了保证所有切换都在用户态进行，协程必须重新封装所有的阻塞系统调用，否则，一旦协程触发了线程切换，会导致这个线程进入休眠状态，进而其上的所有协程都得不到执行。所以，协程的高性能，建立在切换必须由用户态代码完成之上，这要求协程生态是完整的，要尽量覆盖常见的组件

为什么要搞出和用协程呢

是节省CPU，避免系统内核级的线程频繁切换，造成的CPU资源浪费。好钢用在刀刃上。而协程是用户态的线程，用户可以自行控制协程的创建于销毁，极大程度避免了系统级线程上下文切换造成的资源浪费。
是节约内存，在64位的Linux中，一个线程需要分配8MB栈内存和64MB堆内存，系统内存的制约导致我们无法开启更多线程实现高并发。而在协程编程模式下，可以轻松有十几万协程，这是线程无法比拟的。
是稳定性，前面提到线程之间通过内存来共享数据，这也导致了一个问题，任何一个线程出错时，进程中的所有线程都会跟着一起崩溃。
是开发效率，使用协程在开发程序之中，可以很方便的将一些耗时的IO操作异步化，例如写文件、耗时IO请求等。

对于协程的一个总结

特征：协程是运行在单线程中的并发程序
优点：省去了传统 Thread 多线程并发机制中切换线程时带来的线程上下文切换、线程状态切换、Thread 初始化上的性能损耗，能大幅度唐提高并发性能
简单理解：在单线程上由程序员自己调度运行的并行计算

写到最后

协程本身不是替换线程的,因为协程是建立在线程之上的,但是协程能够更好的为我们提供执行高并发任务
但是kotlin的协程的概念是否真的是这样的呢?