協程

一句話說明什麼是線程:協程是一種用戶態的輕量級線程。

一句話並不能完全概括協程的全部,但是起碼能讓我們對協程這個概念有一個基本的印象。
從硬件發展來看,從最初的單核單CPU,到單核多CPU,多核多CPU,似乎已經到了極限了,但是單核CPU性能卻還在不斷提升。server端也在不斷的發展變化。如果將程序分爲IO密集型應用和CPU密集型應用,二者的server的發展如下:
IO密集型應用: 多進程->多線程->事件驅動->協程
CPU密集型應用:多進程–>多線程

如果說多進程對於多CPU,多線程對應多核CPU,那麼事件驅動和協程則是在充分挖掘不斷提高性能的單核CPU的潛力。
以下的討論如無特別說明,不考慮cpu密集型應用。

異步 vs 同步

無論是線程還是進程,使用的都是同步進制,當發生阻塞時,性能會大幅度降低,無法充分利用CPU潛力,浪費硬件投資,更重要造成軟件模塊的鐵板化,緊耦合,無法切割,不利於日後擴展和變化。不管是進程還是線程,每次阻塞、切換都需要陷入系統調用(system call),先讓CPU跑操作系統的調度程序,然後再由調度程序決定該跑哪一個進程(線程)。多個線程之間在一些訪問互斥的代碼時還需要加上鎖,這也是導致多線程編程難的原因之一。

現下流行的異步server都是基於事件驅動的(如nginx)。事件驅動簡化了編程模型,很好地解決了多線程難於編程,難於調試的問題。異步事件驅動模型中,把會導致阻塞的操作轉化爲一個異步操作,主線程負責發起這個異步操作,並處理這個異步操作的結果。由於所有阻塞的操作都轉化爲異步操作,理論上主線程的大部分時間都是在處理實際的計算任務,少了多線程的調度時間,所以這種模型的性能通常會比較好。

總的說來,當單核cpu性能提升,cpu不在成爲性能瓶頸時,採用異步server能夠簡化編程模型,也能提高IO密集型應用的性能。

協程 vs 線程

之前說道,協程是一種用戶級的輕量級線程。協程擁有自己的寄存器上下文和棧。協程調度切換時,將寄存器上下文和棧保存到其他地方,在切回來的時候,恢復先前保存的寄存器上下文和棧。因此:

協程能保留上一次調用時的狀態(即所有局部狀態的一個特定組合),每次過程重入時,就相當於進入上一次調用的狀態,換種說法:進入上一次離開時所處邏輯流的位置。

在併發編程中,協程與線程類似,每個協程表示一個執行單元,有自己的本地數據,與其它協程共享全局數據和其它資源。目前主流語言基本上都選擇了多線程作爲併發設施,與線程相關的概念是搶佔式多任務(Preemptive multitasking),而與協程相關的是協作式多任務。

不管是進程還是線程,每次阻塞、切換都需要陷入系統調用(system call),先讓CPU跑操作系統的調度程序,然後再由調度程序決定該跑哪一個進程(線程)。
而且由於搶佔式調度執行順序無法確定的特點,使用線程時需要非常小心地處理同步問題,而協程完全不存在這個問題(事件驅動和異步程序也有同樣的優點)。

我們在自己在進程裏面完成邏輯流調度,碰着i\o我就用非阻塞式的。那麼我們即可以利用到異步優勢,又可以避免反覆系統調用,還有進程切換造成的開銷,分分鐘給你上幾千個邏輯流不費力。這就是協程。

協程 vs 事件驅動

以nginx爲代表的事件驅動的異步server正在橫掃天下,那麼事件驅動模型會是server端模型的終點嗎?
我們可以深入瞭解下,事件驅動編程的模型。
事件驅動編程的架構是預先設計一個事件循環,這個事件循環程序不斷地檢查目前要處理的信息,根據要處理的信息運行一個觸發函數。其中這個外部信息可能來自一個目錄夾中的文件,可能來自鍵盤或鼠標的動作,或者是一個時間事件。這個觸發函數,可以是系統默認的也可以是用戶註冊的回調函數。

事件驅動程序設計着重於彈性以及異步化上面。許多GUI框架(如windows的MFC,Android的GUI框架),Zookeeper的Watcher等都使用了事件驅動機制。未來還會有其他的基於事件驅動的作品出現。

基於事件驅動的編程是單線程思維,其特點是異步+回調。
協程也是單線程,但是它能讓原來要使用異步+回調方式寫的非人類代碼,可以用看似同步的方式寫出來。它是實現推拉互動的所謂非搶佔式協作的關鍵。

總結

協程的好處:

跨平臺
跨體系架構
無需線程上下文切換的開銷
無需原子操作鎖定及同步的開銷
方便切換控制流,簡化編程模型
高併發+高擴展性+低成本:一個CPU支持上萬的協程都不是問題。所以很適合用於高併發處理。

缺點:

無法利用多核資源:協程的本質是個單線程,它不能同時將 單個CPU 的多個核用上,協程需要和進程配合才能運行在多CPU上.當然我們日常所編寫的絕大部分應用都沒有這個必要,除非是cpu密集型應用。
進行阻塞(Blocking)操作(如IO時)會阻塞掉整個程序:這一點和事件驅動一樣,可以使用異步IO操作來解決

發表評論
所有評論
還沒有人評論,想成為第一個評論的人麼? 請在上方評論欄輸入並且點擊發布.
相關文章