在面试中，经常会问到进程、线程、协程的问题。本节主要讲解进程、线程、协程的概念和之间的联系。

1.进程

进程是一种抽象的概念，没有统一的标准定义。进程是操作系统分配资源最小单位，进程使用独立的数据空间，由程序，数据和程序控制块三部分组成，进程之间的内存是相互隔离的，是具有独立功能的程序一次动态执行的过程。

• 程序，是控制进程的指令集。
• 数据，进程执行时所需要的数据和工作区。
• 程序控制块(Program Control Block，简称PCB)，包含进程的描述信息和控制信息，是进程存在的唯一标志。

同样进程间也是可以通信（IPC）的，通过管道(Pipe)、命名管道(FIFO)、消息队列(Message Queue) 、信号量(Semaphore) 、共享内存（Shared Memory）、套接字（Socket）等方式进行通信。同样进程拥有自己的状态，这个不是本课程的重点，不做详细讲解。

大名鼎鼎的反向代理工具Nginx，实现高并发除了采用多路复用IO，还有通过多进程，而不是通过多线程，由于进程间内存都是独立的，所以不用担心并发问题。每个节点有一个master进程，fork出多个worker子进程，master进程负责管理，把指令传递给worker进程处理。worker进程数一般是cpu的核数。

2.线程

线程是处理器调度和分派的基本单位，是程序执行的最小单位，线程共享进程的数据空间，由线程ID、当前指令指针PC、寄存器和堆栈组成。进程中包含一个和多个线程，进程中线程内存是可见的，不同进程间的线程内存不可见。

2.1 任务调度

大部分操作系统的任务调度是采用时间片轮转的抢占式调度方式。那么什么是CPU时间片呢？

CPU时间片是分配给线程的执行时间，Linux一般是5~800ms，Windows一般20ms。

在同一个进程中，一个线程执行完一个时间片后，操作系统内核通过硬件的计数器中断处理器，让线程强制暂停，将该线程的寄存器存入内存，等待下次调度。

同理，下个线程怎么开始执行呢？操作系统内核通过查看线程列表决定执行哪个线程，从内存中恢复该线程的寄存器，恢复执行。这样就完成了线程的轮流执行。

线程和进程类似，也有自己的状态，正在执行的线程叫运行状态，暂停执行的叫做就绪状态。

CPU通过时间片分配算法不断的循环任务，每次线程切换都会伴随着一次线程上下文切换。线程上下文切换包含哪些操作呢？首先，切换前会保存上个线程的任务状态，便于下次切换会该线程，然后加在新的线程状态。这样线程从保存到再加载的过程就是一次上下文切换。

好比程序员写代码，从一个分支切换到另外一个分支，需要check in上一个分支的代码，然后check out新分支的代码。

线程上下文切换的代价很大，应该尽量避免。

3.协程

进程是重量级的对象，后来发明了线程，资源开销更小。但是线程也是一个重量级的对象，频繁的创建和、销毁、上下文切换成本都很高。

目前解决方案是协程（Coroutine），也被称为轻量级的线程。协程相比线程有如下区别：

• 占用内存大小不同。线程默认的stack一般是1M，协程一般是1k。
• 调度者不同。线程是通过操作系统调度，是内核态。协程是用户自己调度，是用户态，减少上下文切换，提高了效率。
• 协程是运行在同一个线程上，避免了竞争关系而使用锁。

很多开发语言都支持协程，比如Golang、Python、Lua、Kotlin等。很遗憾，Java不支持，Java有支持协程的框架实现，比如quasar和kotlin。

3.1 协程的应用场景

操作系统并不知道协程的存在，协程只是用户态的任务。

现在我们有促销的场景，假如有10000个请求过来，我们为每个请求建立一个线程去执行，包括查询扣库存、扣款等，假如每个线程占用4M大小，10000线程就是39G的内存。在执行的过程中，CPU通过时间片分配算法，使线程不断的切换。出现了两个问题，一是线程的占用非常多的内存，二是线程上下文切换占用了大量的系统时间。

现在有了协程，刚好解决以上两个问题。协程运行在线程上，一个协程执行完毕后，主动让出，让另一个协程去运行。避免了创建大量的线程和频繁的线程上下文切换。协程并没有增加线程数量，只是在线程的基础之上通过分时复用的方式运行多个协程，而且协程的切换在用户态完成，切换的代价比线程从用户态到内核态的代价小很多。

那么什么场景不适合协程呢？

1.容易导致线程阻塞的操作。协程是运行在线程上，操作系统不知道协程的存在，当线程阻塞时，协程同样阻塞不能运行。比如阻塞IO。同理，协程适合异步IO。

2.协程不适合计算密集型的任务，计算密集型的任务本身不需要大量的线程切换，因此协程的作用也十分有限，反而还增加了协程切换的开销。

总结：

• 从重量级上依次从大到小，进程 > 线程 > 管程。
• 进程中包含多个线程，管程是运行在线程中。
• 进程是操作系统资源分配的最小单位，线程是CPU调度的基本单位。
• 线程创建、销毁、上下文切换的代价很大，可以用管程的方案解决。
• 协程属于用户态，操作系统并不知道协程的存在。
• 协程不适合容易导致线程阻塞的任务和计算密集型任务，比如阻塞IO，比如异步IO，才能发挥很大的作用。