操作系统（6）-协程

一、什么是协程？

【百度百科】协程与子例程一样，协程（coroutine）也是一种程序组件。相对子例程而言，协程更为一般和灵活，但在实践中使用没有子例程那样广泛。

协程更适合于用来实现彼此熟悉的程序组件，如合作式多任务，迭代器，无限列表和管道。协程的概念1963年就被提出来了。但直到最近几年才在某些语言（如Lua）中得到广泛应用。现在在面试的时候，有可能会被问到。笔者就有这样的经历。

协程不是进程或线程，其执行过程更类似于子例程，或者说不带返回值的函数调用。

一个程序可以包含多个协程，可以对比与一个进程包含多个线程，因而下面我们来比较协程和线程。我们知道多个线程相对独立，有自己的上下文，切换受系统控制；而协程也相对独立，有自己的上下文，但是其切换由自己控制，由当前协程切换到其他协程由当前协程来控制。

二、各大语言对协程的支持程度

1.Lua从5.0版开始支持协程的概念，极大的扩展了Lua的能力。

Lua的协程通过扩展库coroutine来实现，其中的所有函数如下（具体可以参考Lua的官方manual）：

coroutine.create
coroutine.resume
coroutine.running
coroutine.status
coroutine.wrap
coroutine.yield

当前运行的代码可以看作运行在主协程中（就像C程序的main运行在主线程中），通过create可以创建一个协程，resume以运行此协程，直到新协程调用yield程序才能返回到”主协程“中运行。

协程通常是纯软件实现的多任务，与CPU和操作系统通常没有关系，所以没有理论上限。唯一的缺点似乎就是：它不能同时将 CPU 的多个核用上。但对 lua 来说这通常不是问题，因为一个宿主程序里面是可以允许有多个 lua 状态机的，开多个线程或进程，然后每个核开一个 lua 状态机即可。

2.C++通过Boost.Coroutine实现对协程的支持

3.Java不支持

4.Python通过yield关键字实现协程，Python3.5开始使用async def对原生协程的支持

5.Go语言的Goroutine

Goroutine 其实就是协程解决方案的一种演进和实现。

首先，它内置了 Coroutine 机制。因为要用户态的调度，必须有可以让代码片段可以暂停/继续的机制。
其次，它内置了一个调度器，实现了 Coroutine 的多线程并行调度，同时通过对网络等库的封装，对用户屏蔽了调度细节。
最后，提供了 Channel 机制，用于 Goroutine 之间通信，实现 CSP 并发模型（Communicating Sequential Processes）。因为 Go 的 Channel 是通过语法关键词提供的，对用户屏蔽了许多细节。其实 Go 的 Channel 和 Java 中的 SynchronousQueue 是一样的机制，如果有 buffer 其实就是 ArrayBlockQueue。

三、协程的优缺点

优点：

协程更加轻量，创建成本更小，降低了内存消耗
协程本身可以做在用户态，每个协程的体积比线程要小得多，因此一个进程可以容纳数量相当可观的协程

协作式的用户态调度器，减少了 CPU 上下文切换的开销，提高了 CPU 缓存命中率
协作式调度相比抢占式调度的优势在于上下文切换开销更少、更容易把缓存跑热。和多线程比，线程数量越多，协程的性能优势就越明显。进程 / 线程的切换需要在内核完成，而协程不需要，协程通过用户态栈实现，更加轻量，速度更快。在重 I/O 的程序里有很大的优势。比如爬虫里，开几百个线程会明显拖慢速度，但是开协程不会。

但协程也放弃了原生线程的优先级概念，如果存在一个较长时间的计算任务，由于内核调度器总是优先 IO 任务，使之尽快得到响应，就将影响到 IO 任务的响应延时。假设这个线程中有一个协程是 CPU 密集型的他没有 IO 操作，也就是自己不会主动触发调度器调度的过程，那么就会出现其他协程得不到执行的情况，所以这种情况下需要程序员自己避免。

此外，单线程的协程方案并不能从根本上避免阻塞，比如文件操作、内存缺页，这都属于影响到延时的因素。

减少同步加锁，整体上提高了性能
协程方案基于事件循环方案，减少了同步加锁的频率。但若存在竞争，并不能保证临界区，因此该上锁的地方仍需要加上协程锁。

可以按照同步思维写异步代码，即用同步的逻辑，写由协程调度的回调
需要注意的是，协程的确可以减少 callback 的使用但是不能完全替换 callback。基于事件驱动的编程里面反而不能发挥协程的作用而用 callback 更适合。

缺点：

在协程执行中不能有阻塞操作，否则整个线程被阻塞(协程是语言级别的，线程，进程属于操作系统级别)

需要特别关注全局变量、对象引用的使用

协程可以处理 IO 密集型程序的效率问题，但是处理 CPU 密集型不是它的长处。
假设这个线程中有一个协程是 CPU 密集型的他没有 IO 操作，也就是自己不会主动触发调度器调度的过程，那么就会出现其他协程得不到执行的情况，所以这种情况下需要程序员自己避免

四、协程跟多线程的区别

协程的执行有点像多线程，但协程的特点在于是一个线程执行，那和多线程比，协程有何优势？

最大的优势就是协程极高的执行效率。因为子程序切换不是线程切换，而是由程序自身控制，因此，没有线程切换的开销，和多线程比，线程数量越多，协程的性能优势就越明显。

第二大优势就是不需要多线程的锁机制，因为只有一个线程，也不存在同时写变量冲突，在协程中控制共享资源不加锁，只需要判断状态就好了，所以执行效率比多线程高很多。

五、协程的适用场景

因为协程是一个线程执行，那怎么利用多核CPU呢？最简单的方法是多进程+协程，既充分利用多核，又充分发挥协程的高效率，可获得极高的性能。

Coroutines非常适合于实现熟悉的程序组件，例如协作任务、异常、事件循环、迭代器、无限列表和管道。

协程的出现，改变了函数只有唯一运行入口的观点，一个较长的过程，尤其是过程中存在需要等待的步骤，也可以用一个函数来编写，等待的时候“跑”到函数外干点别的，然后再回来接着原来的步骤继续运行，如果采用回调的方式，需将这个过程切成一块一块的，块与块之间可以做点别的事情。

协程的出现使我们的编程方式多了一种选择，但协程的编程，尤其是与一些I/O异步操作结合起来用时，难度还是比较大的。

六、总结

Coroutine（协程）是一种用户态的轻量级线程，特点如下：

1、轻量级线程；
2、非抢占式多任务处理，由协程主动交出控制权；
3、编译器/解释器/虚拟机层面的任务；
4、多个协程可能在一个或多个线程上运行；

借用Donald Knuth的一句话总结协程的特点：“子程序就是协程的一种特例。”

参考文章

1、 https://baike.baidu.com/item/%E5%8D%8F%E7%A8%8B/8652240?fr=aladdin；
2、 https://www.liaoxuefeng.com/wiki/897692888725344/923057403198272；
3、 https://www.jianshu.com/p/49e80a3d4e04；
4、 https://blog.csdn.net/weixin_42825585/article/details/87891968；
5、 https://blog.csdn.net/guxch/article/details/82803769；
6、 https://www.jianshu.com/p/2782f8c49b2a；