[TOC] ## 3、對于操作系統而言進程、線程以及Goroutine協程的區別 進程、線程、協程實際上都是為并發而生。 但是他們的各自的模樣是完全不一致的，下面我們來分析一下他們各自的特點和關系。 > 本文不重點介紹什么是進程和線程，而是提煉進程、線程、協程干貨。且是基于Linux下的進程、線程解釋 ### 一、進程內存 進程，可執行程序運行中形成一個獨立的內存體，這個內存體**有自己獨立的地址空間(Linux會給每個進程分配一個虛擬內存空間32位操作系統為4G, 64位為很多T)，有自己的堆**，上級掛靠單位是操作系統。**操作系統會以進程為單位，分配系統資源（CPU時間片、內存等資源），進程是資源分配的最小單位**。  ### 二、線程內存 **線程，有時被稱為輕量級進程(Lightweight Process，LWP），是操作系統調度（CPU調度）執行的最小單位**。  多個線程共同“寄生”在一個進程上，除了擁有各自的棧空間，其他的內存空間都是一起共享。所以由于這個特性，使得線程之間的內存關聯性很大，互相通信就很簡單(堆區、全局區等數據都共享，需要加鎖機制即可完成同步通信)，但是同時也讓線程之間生命體聯系較大，比如一個線程出問題，到底進程問題，也就導致了其他線程問題。 ### 三、執行單元 對于Linux來講，不區分進程還是線程，他們都是一個單獨的執行單位，CPU一視同仁，均分配時間片。  所以，如果一個進程想更大程度的與其他進程搶占CPU的資源，那么多開線程是一個好的辦法。 如上圖，進程A沒有開線程，那么默認就是`1個線程`，對于內核來講，它只有1個`執行單元`,進程B開了`3個線程`，那么在內核中，該進程就占有3個`執行單元`。CPU的視野是只能看見內核的，它不知曉誰是進程和誰是線程，誰和誰是一家人。時間片輪詢平均調度分配。那么進程B擁有的3個單元就有了資源供給的優勢。 ### 四、切換問題與協程 我們通過上述的描述，可以知道，線程越多，進程利用(或者)搶占的cpu資源就越高。  那么是不是線程可以無限制的多呢？ 答案當然不是的，我們知道，當我們cpu在內核態切換一個`執行單元`的時候，會有一個時間成本和性能開銷  其中性能開銷至少會有兩個開銷 * 切換內核棧 * 切換硬件上下文 > 這兩個切換，我們沒必要太深入研究，可以理解為他所帶來的后果和影響是 > --- * 保存寄存器中的內容 將之前執行流程的狀態保存。 * CPU高速緩存失效 頁表查找是一個很慢的過程，因此通常使用Cache來緩存常用的地址映射，這樣可以加速頁表查找，這個cache就是TLB.當進程切換后頁表也要進行切換，頁表切換后TLB就失效了，cache失效導致命中率降低，那么虛擬地址轉換為物理地址就會變慢，**表現出來的就是程序運行會變慢**。 > --- 綜上，我們不能夠大量的開辟，因為`線程執行流程`越多，cpu在切換的時間成本越大。很多編程語言就想了辦法，既然我們不能左右和優化cpu切換線程的開銷，那么，我們能否讓cpu內核態不切換`執行單元`， 而是在用戶態切換執行流程呢？ 很顯然，我們是沒權限修改操作系統內核機制的，那么只能在用戶態再來一個`偽執行單元`,那么就是`協程`了。  ### 五、協程的切換成本 協程切換比線程切換快主要有兩點： （1）協程切換**完全在用戶空間進行**線程切換涉及**特權模式切換，需要在內核空間完成**； （2）協程切換相比線程切換**做的事情更少**，線程需要有內核和用戶態的切換,系統調用過程。 #### 協程切換成本： 協程切換非常簡單，就是把**當前協程的 CPU 寄存器狀態保存起來，然后將需要切換進來的協程的 CPU 寄存器狀態加載的 CPU 寄存器上**就 ok 了。而且**完全在用戶態進行**，一般來說一次協程上下文切換最多就是**幾十ns** 這個量級。 #### 線程切換成本： 系統內核調度的對象是線程，因為線程是調度的基本單元（進程是資源擁有的基本單元，進程的切換需要做的事情更多，這里占時不討論進程切換），而**線程的調度只有擁有最高權限的內核空間才可以完成**，所以線程的切換涉及到**用戶空間和內核空間的切換**，也就是特權模式切換，然后需要操作系統調度模塊完成**線程調度（task***struct），*而且除了和協程相同基本的 CPU 上下文，還有線程私有的棧和寄存器等，說白了就是上下文比協程多一些，其實簡單比較下 task_strcut 和 任何一個協程庫的 coroutine 的 struct 結構體大小就能明顯區分出來。而且特權模式切換的開銷確實不小，隨便搜一組測試數據 [3]，隨便算算都比協程切換開銷大很多。 **進程占用多少內存** 4g **線程占用多少內存** 線程跟不同的操作系統版本有有差異 ```bash $ulimit -s 8192 ``` 單位`kb` 但線程基本都是維持Mb的量級單位，一般是4~64Mb不等， 多數維持約10M上下 **協程占用多少內存** 測試環境 ```bash $ more /proc/cpuinfo | grep "model name" model name : Intel(R) Core(TM) i7-5775R CPU @ 3.30GHz model name : Intel(R) Core(TM) i7-5775R CPU @ 3.30GHz (2個CPU ) $ grep MemTotal /proc/meminfo MemTotal: 2017516 kB (2G內存) $ getconf LONG_BIT 64 (64位操作系統) $ uname -a Linux ubuntu 4.15.0-91-generic #92-Ubuntu SMP Fri Feb 28 11:09:48 UTC 2020 x86_64 x86_64 x86_64 GNU/Linux ``` 測試程序 ```go package main import ( "time" ) func main() { for i := 0; i < 200000; i++ { go func() { time.Sleep(5 * time.Second) }() } time.Sleep(10 * time.Second) } ``` 程序運行前 ```bash top - 00:16:24 up 7:08, 1 user, load average: 0.08, 0.03, 0.01 任務: 288 total, 1 running, 218 sleeping, 0 stopped, 0 zombie %Cpu0 : 0.0 us, 0.0 sy, 0.0 ni,100.0 id, 0.0 wa, 0.0 hi, 0.0 si, 0.0 st %Cpu1 : 0.3 us, 0.3 sy, 0.0 ni, 99.3 id, 0.0 wa, 0.0 hi, 0.0 si, 0.0 st KiB Mem : 2017516 total, 593836 free, 1163524 used, 260156 buff/cache KiB Swap: 969960 total, 574184 free, 395776 used. 679520 avail Mem ``` free的mem為1163524， 程序運行中 ```bash top - 00:17:12 up 7:09, 1 user, load average: 0.04, 0.02, 0.00 任務: 290 total, 1 running, 220 sleeping, 0 stopped, 0 zombie %Cpu0 : 4.0 us, 1.0 sy, 0.0 ni, 95.0 id, 0.0 wa, 0.0 hi, 0.0 si, 0.0 st %Cpu1 : 8.8 us, 1.4 sy, 0.0 ni, 89.9 id, 0.0 wa, 0.0 hi, 0.0 si, 0.0 st KiB Mem : 2017516 total, 89048 free, 1675844 used, 252624 buff/cache KiB Swap: 969960 total, 563688 free, 406272 used. 168812 avail Mem ``` free的mem為1675844， 所以**20萬個協程占用了約 50萬KB****平均一個協程占用約2.5KB** 那么，go的協程切換成本如此小，占用也那么小，是否可以無限開辟呢？