本文從操作系統(tǒng)原理出發(fā)結(jié)合代碼實踐講解了以下內(nèi)容：

• 什么是進程,，線程和協(xié)程？

• 它們之間的關(guān)系是什么,？

• 為什么說Python中的多線程是偽多線程,？

• 不同的應用場景該如何選擇技術(shù)方案？

• ...

什么是進程

進程-操作系統(tǒng)提供的抽象概念,，是系統(tǒng)進行資源分配和調(diào)度的基本單位,，是操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)。程序是指令,、數(shù)據(jù)及其組織形式的描述，進程是程序的實體,。程序本身是沒有生命周期的,，它只是存在磁盤上的一些指令,程序一旦運行就是進程。

當程序需要運行時,，操作系統(tǒng)將代碼和所有靜態(tài)數(shù)據(jù)記載到內(nèi)存和進程的地址空間（每個進程都擁有唯一的地址空間,，見下圖所示）中，通過創(chuàng)建和初始化棧（局部變量,，函數(shù)參數(shù)和返回地址),、分配堆內(nèi)存以及與IO相關(guān)的任務(wù)，當前期準備工作完成,，啟動程序,，OS將CPU的控制權(quán)轉(zhuǎn)移到新創(chuàng)建的進程，進程開始運行,。

操作系統(tǒng)對進程的控制和管理通過PCB(Processing Control Block),，PCB通常是系統(tǒng)內(nèi)存占用區(qū)中的一個連續(xù)存區(qū)，它存放著操作系統(tǒng)用于描述進程情況及控制進程運行所需的全部信息(進程標識號,進程狀態(tài),進程優(yōu)先級,文件系統(tǒng)指針以及各個寄存器的內(nèi)容等),，進程的PCB是系統(tǒng)感知進程的唯一實體,。

一個進程至少具有5種基本狀態(tài)：初始態(tài)、執(zhí)行狀態(tài),、等待（阻塞）狀態(tài),、就緒狀態(tài)、終止狀態(tài)

• 初始狀態(tài)：進程剛被創(chuàng)建,，由于其他進程正占有CPU所以得不到執(zhí)行,，只能處于初始狀態(tài)。

• 執(zhí)行狀態(tài)：任意時刻處于執(zhí)行狀態(tài)的進程只能有一個,。

• 就緒狀態(tài)：只有處于就緒狀態(tài)的經(jīng)過調(diào)度才能到執(zhí)行狀態(tài)

• 等待狀態(tài)：進程等待某件事件完成

• 停止狀態(tài)：進程結(jié)束

進程間的切換

無論是在多核還是單核系統(tǒng)中,，一個CPU看上去都像是在并發(fā)的執(zhí)行多個進程，這是通過處理器在進程間切換來實現(xiàn)的。

操作系統(tǒng)對把CPU控制權(quán)在不同進程之間交換執(zhí)行的機制成為上下文切換（context switch）,，即保存當前進程的上下文,，恢復新進程的上下文，然后將CPU控制權(quán)轉(zhuǎn)移到新進程,，新進程就會從上次停止的地方開始,。因此，進程是輪流使用CPU的,，CPU被若干進程共享,，使用某種調(diào)度算法來決定何時停止一個進程，并轉(zhuǎn)而為另一個進程提供服務(wù),。

• 單核CPU雙進程的情況 

進程直接特定的機制和遇到I/O中斷的情況下,，進行上下文切換，輪流使用CPU資源

• 雙核CPU雙進程的情況 

每一個進程獨占一個CPU核心資源,，在處理I/O請求的時候,，CPU處于阻塞狀態(tài)

進程間數(shù)據(jù)共享

系統(tǒng)中的進程與其他進程共享CPU和主存資源，為了更好的管理主存,，現(xiàn)在系統(tǒng)提供了一種對主存的抽象概念,，即為虛擬存儲器（VM）。它是一個抽象的概念,，它為每一個進程提供了一個假象,，即每個進程都在獨占地使用主存。

虛擬存儲器主要提供了三個能力：　

• 將主存看成是一個存儲在磁盤上的高速緩存,，在主存中只保存活動區(qū)域,，并根據(jù)需要在磁盤和主存之間來回傳送數(shù)據(jù)，通過這種方式,，更高效地使用主存

• 為每個進程提供了一致的地址空間,，從而簡化了存儲器管理

• 保護了每個進程的地址空間不被其他進程破壞

由于進程擁有自己獨占的虛擬地址空間，CPU通過地址翻譯將虛擬地址轉(zhuǎn)換成真實的物理地址,，每個進程只能訪問自己的地址空間,。因此，在沒有其他機制（進程間通信）的輔助下,，進程之間是無法共享數(shù)據(jù)的

• 以python中multiprocessing為例

• 結(jié)果

Process 1:n=4999950000,id(n)=139854202072440Process 0:n=4999950000,id(n)=139854329146064Process 2:n=4999950000,id(n)=139854202072400Process 4:n=4999950000,id(n)=139854201618960Process 3:n=4999950000,id(n)=139854202069320Main:n=0,id(n)=9462720Total time:0.03138256072998047

變量n在進程p{0,1,2,3,4}和主進程（main）中均擁有唯一的地址空間

什么是線程

線程-也是操作系統(tǒng)提供的抽象概念,，是程序執(zhí)行中一個單一的順序控制流程，是程序執(zhí)行流的最小單元,，是處理器調(diào)度和分派的基本單位,。一個進程可以有一個或多個線程，同一進程中的多個線程將共享該進程中的全部系統(tǒng)資源,，如虛擬地址空間,，文件描述符和信號處理等等,。但同一進程中的多個線程有各自的調(diào)用棧和線程本地存儲（如下圖所示）。

系統(tǒng)利用PCB來完成對進程的控制和管理,。同樣,，系統(tǒng)為線程分配一個線程控制塊TCB（Thread Control Block）,將所有用于控制和管理線程的信息記錄在線程的控制塊中，TCB中通常包括：

• 線程標志符

• 一組寄存器

• 線程運行狀態(tài)

• 優(yōu)先級

• 線程專有存儲區(qū)

• 信號屏蔽

和進程一樣,，線程同樣有五種狀態(tài)：初始態(tài),、執(zhí)行狀態(tài)、等待（阻塞）狀態(tài),、就緒狀態(tài)和終止狀態(tài),線程之間的切換和進程一樣也需要上下文切換,，這里不再贅述。

進程和線程之間有許多相似的地方,，那它們之間到底有什么區(qū)別呢,？

進程 VS 線程

• 進程是資源的分配和調(diào)度的獨立單元。進程擁有完整的虛擬地址空間,，當發(fā)生進程切換時,，不同的進程擁有不同的虛擬地址空間。而同一進程的多個線程是可以共享同一地址空間

• 線程是CPU調(diào)度的基本單元,，一個進程包含若干線程。

• 線程比進程小,，基本上不擁有系統(tǒng)資源,。線程的創(chuàng)建和銷毀所需要的時間比進程小很多

• 由于線程之間能夠共享地址空間，因此,，需要考慮同步和互斥操作

• 一個線程的意外終止會影像整個進程的正常運行,，但是一個進程的意外終止不會影像其他的進程的運行。因此,，多進程程序安全性更高,。

總之，多進程程序安全性高,，進程切換開銷大,，效率低；多線程程序維護成本高,，線程切換開銷小,，效率高。（python的多線程是偽多線程,，下文中將詳細介紹）

什么是協(xié)程

協(xié)程（Coroutine,，又稱微線程）是一種比線程更加輕量級的存在，協(xié)程不是被操作系統(tǒng)內(nèi)核所管理,，而完全是由程序所控制,。協(xié)程與線程以及進程的關(guān)系見下圖所示,。

• 協(xié)程可以比作子程序，但執(zhí)行過程中,，子程序內(nèi)部可中斷,，然后轉(zhuǎn)而執(zhí)行別的子程序，在適當?shù)臅r候再返回來接著執(zhí)行,。協(xié)程之間的切換不需要涉及任何系統(tǒng)調(diào)用或任何阻塞調(diào)用

• 協(xié)程只在一個線程中執(zhí)行,，是子程序之間的切換，發(fā)生在用戶態(tài)上,。而且,，線程的阻塞狀態(tài)是由操作系統(tǒng)內(nèi)核來完成，發(fā)生在內(nèi)核態(tài)上,，因此協(xié)程相比線程節(jié)省線程創(chuàng)建和切換的開銷

• 協(xié)程中不存在同時寫變量沖突,，因此，也就不需要用來守衛(wèi)關(guān)鍵區(qū)塊的同步性原語,，比如互斥鎖,、信號量等，并且不需要來自操作系統(tǒng)的支持,。

協(xié)程適用于IO阻塞且需要大量并發(fā)的場景,，當發(fā)生IO阻塞，由協(xié)程的調(diào)度器進行調(diào)度,，通過將數(shù)據(jù)流yield掉,，并且記錄當前棧上的數(shù)據(jù)，阻塞完后立刻再通過線程恢復棧,，并把阻塞的結(jié)果放到這個線程上去運行,。

下面，將針對在不同的應用場景中如何選擇使用Python中的進程,，線程,，協(xié)程進行分析。

如何選擇,？

在針對不同的場景對比三者的區(qū)別之前,，首先需要介紹一下python的多線程(一直被程序員所詬病，認為是'假的'多線程),。

那為什么認為Python中的多線程是“偽”多線程呢,？

更換上面multiprocessing示例中， p=multiprocessing.Process(target=count,args=(i,))為 p=threading.Thread(target=count,args=(i,)),其他照舊,，運行結(jié)果如下：

為了減少代碼冗余和文章篇幅,，命名和打印不規(guī)則問題請忽略

• n是全局變量，Main的打印結(jié)果與線程相等,，證明了線程之間是數(shù)據(jù)共享

但是,，為什么多線程運行時間比多進程還要長,？這與我們上面所說（線程的開銷<<進程的開銷）的嚴重不相符啊。這就是輪到Cpython（python默認的解釋器）中GIL(Global Interpreter Lock,全局解釋鎖)登場了,。

什么是GIL

GIL來源于Python設(shè)計之初的考慮,，為了數(shù)據(jù)安全(由于內(nèi)存管理機制中采用引用計數(shù))所做的決定。某個線程想要執(zhí)行,，必須先拿到 GIL,。因此，可以把 GIL 看作是“通行證”,并且在一個 Python進程中,，GIL 只有一個,拿不到通行證的線程,就不允許進入 CPU 執(zhí)行,。

Cpython解釋器在內(nèi)存管理中采用引用計數(shù)，當對象的引用次數(shù)為0時,，會將對象當作垃圾進行回收,。設(shè)想這樣一種場景：

一個進程中含有兩個線程，分別為線程0和線程1,，兩個線程全都引用對象a,。當兩個線程同時對a發(fā)生引用（并未修改，不需要使用同步性原語）,，就會發(fā)生同時修改對象a的引用計數(shù)器,，造成計數(shù)器引用少于實質(zhì)性的引用，當進行垃圾回收時,，造成錯誤異常,。因此，需要一把全局鎖（即為GIL）來保證對象引用計數(shù)的正確性和安全性,。

無論是單核還是多核,一個進程永遠只能同時執(zhí)行一個線程(拿到 GIL 的線程才能執(zhí)行，如下圖所示),，這就是為什么在多核CPU上,，Python 的多線程效率并不高的根本原因。

那是不是在Python中遇到并發(fā)的需求就使用多進程就萬事大吉了呢,？其實不然,，軟件工程中有一句名言：沒有銀彈！

何時用,？

常見的應用場景不外乎三種：

• CPU密集型:程序需要占用CPU進行大量的運算和數(shù)據(jù)處理,；

• I/O密集型:程序中需要頻繁的進行I/O操作；例如網(wǎng)絡(luò)中socket數(shù)據(jù)傳輸和讀取等,；

• CPU密集+I/O密集：以上兩種的結(jié)合

CPU密集型的情況可以對比以上multiprocessing和threading的例子,，多進程的性能 > 多線程的性能。

下面主要解釋一下I/O密集型的情況,。與I/O設(shè)備交互,，目前最常用的解決方案就是DMA,。

什么是DMA

DMA(Direct Memory Access)是系統(tǒng)中的一個特殊設(shè)備，它可以協(xié)調(diào)完成內(nèi)存到設(shè)備間的數(shù)據(jù)傳輸,，中間過程不需要CPU介入,。

以文件寫入為例：

• 進程p1發(fā)出數(shù)據(jù)寫入磁盤文件的請求

• CPU處理寫入請求，通過編程告訴DMA引擎數(shù)據(jù)在內(nèi)存的位置,，要寫入數(shù)據(jù)的大小以及目標設(shè)備等信息

• CPU處理其他進程p2的請求,，DMA負責將內(nèi)存數(shù)據(jù)寫入到設(shè)備中

• DMA完成數(shù)據(jù)傳輸，中斷CPU

• CPU從p2上下文切換到p1,繼續(xù)執(zhí)行p1

Python多線程的表現(xiàn)（I/O密集型）

• 線程Thread0首先執(zhí)行,，線程Thread1等待（GIL的存在）

• Thread0收到I/O請求,，將請求轉(zhuǎn)發(fā)給DMA,DMA執(zhí)行請求

• Thread1占用CPU資源，繼續(xù)執(zhí)行

• CPU收到DMA的中斷請求,，切換到Thread0繼續(xù)執(zhí)行

與進程的執(zhí)行模式相似,，彌補了GIL帶來的不足，又由于線程的開銷遠遠小于進程的開銷,，因此,，在IO密集型場景中，多線程的性能更高

實踐是檢驗真理的唯一標準,，下面將針對I/O密集型場景進行測試,。

測試

• 執(zhí)行代碼

import multiprocessingimport threadingimport time

def count(num):    time.sleep(1)  ## 模擬IO操作    print('Process {0} End'.format(num))

if __name__ == '__main__':    start_time = time.time()    process = list()    for i in range(5):        p = multiprocessing.Process(target=count, args=(i,))        # p = threading.Thread(target=count, args=(i,))        process.append(p)
    for p in process:        p.start()
    for p in process:        p.join()
    end_time = time.time()    print('Total time:{0}'.format(end_time - start_time))

• 結(jié)果

• 多線程的執(zhí)行效性能高于多進程

是不是認為這就結(jié)束了？遠還沒有呢,。針對I/O密集型的程序,，協(xié)程的執(zhí)行效率更高，因為它是程序自身所控制的,，這樣將節(jié)省線程創(chuàng)建和切換所帶來的開銷,。

以Python中asyncio應用為依賴，使用async/await語法進行協(xié)程的創(chuàng)建和使用,。

• 程序代碼

import timeimport asyncio

async def coroutine():    await asyncio.sleep(1) ## 模擬IO操作

if __name__ == '__main__':    start_time = time.time()
    loop = asyncio.get_event_loop()    tasks = []    for i in range(5):        task = loop.create_task(coroutine())        tasks.append(task)
    loop.run_until_complete(asyncio.wait(tasks))    loop.close()    end_time = time.time()    print('total time:', end_time - start_time)

• 結(jié)果

• 協(xié)程的執(zhí)行效性能高于多線程

總結(jié)

本文從操作系統(tǒng)原理出發(fā)結(jié)合代碼實踐講解了進程,，線程和協(xié)程以及他們之間的關(guān)系。并且,，總結(jié)和整理了Python實踐中針對不同的場景如何選擇對應的方案,，如下：

• CPU密集型：多進程

• IO密集型：多線程（協(xié)程維護成本較高,而且在讀寫文件方面效率沒有顯著提升）

• CPU密集和IO密集：多進程+協(xié)程