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[Java进阶] 并发编程之进程、线程和协程

news 2024/10/25 21:43:08

并发编程系列文章

[Java进阶] 并发编程入门介绍

定义与概念

进程

状态

生命周期管理

线程

状态

生命周期管理

协程

状态

生命周期管理

进程、线程、协程对比

资源开销

上下文切换

并行与并发

隔离性

编程复杂度

定义与概念

进程：进程是程序在执行过程中分配的基本单位，是程序的一次动态执行过程。每个进程都有独立的内存空间和系统资源，通过进程间通信（IPC Inter-Process Communication）进行通信。
线程：线程是进程中的一个执行路径或执行单元，是CPU调度的最小单位。线程共享进程的资源，因此线程间通信相对简单且高效。
协程：协程是一种用户态的轻量级线程，其调度和切换完全由用户控制。协程不是由操作系统内核管理，而是由程序所控制，适合处理大量的I/O密集型任务。

创建：
- 系统调用：用户或系统通过系统调用（如fork()、exec()）请求创建新进程。
- 资源分配：操作系统分配必要的资源，如内存、文件描述符等。
- 进程控制块（PCB）：创建进程控制块（PCB），记录进程的状态、优先级、内存分配情况等信息。
调度：
- 调度算法：操作系统使用调度算法（如时间片轮转、优先级调度、最短作业优先等）选择下一个要执行的进程。
- 调度器：调度器负责将CPU分配给选中的进程，并保存当前进程的上下文（寄存器状态、程序计数器等）到PCB。
上下文切换：
- 保存上下文：当当前进程因某种原因（如时间片用完、等待I/O操作、被更高优先级的进程抢占等）需要暂停执行时，操作系统会进行进程切换。
- 更新状态：将当前进程的状态从“运行”改为“就绪”或“阻塞”。
- 选择新进程：根据调度算法选择下一个要执行的进程。
- 恢复上下文：从新进程的PCB中恢复其上下文。
- 切换控制权：修改程序状态字（PSW），将控制权交给新的进程。
终止：
- 执行完毕或错误：进程执行完毕或因错误而终止。
- 资源释放：操作系统释放该进程占用的资源，删除其PCB。

创建：
- 系统调用：在已存在的进程中通过系统调用（如pthread_create()）创建新线程。
- 资源分配：操作系统分配线程所需的少量资源（如栈空间）。
- 线程控制块（TCB）：创建线程控制块（TCB），记录线程的状态、优先级等信息到TCB。
调度：
- 调度算法：操作系统使用线程调度算法（如时间片轮转、优先级调度等）选择下一个要执行的线程。
- 调度器：调度器负责将CPU分配给选中的线程，并保存当前线程的上下文。
上下文切换：
- 保存上下文：当当前线程因某种原因（如时间片用完、等待I/O操作、被更高优先级的线程抢占等）需要暂停执行时，操作系统会进行线程切换。
- 更新状态：将当前线程的状态从“运行”改为“就绪”或“阻塞”。
- 选择新线程：根据调度算法选择下一个要执行的线程。
- 恢复上下文：从新线程的TCB中恢复其上下文。
- 切换控制权：修改程序状态字（PSW），将控制权交给新的线程。
终止：
- 执行完毕或错误：线程执行完毕或因错误而终止。
- 资源释放：操作系统释放该线程占用的资源，删除其TCB。

挂起（Suspended）：协程因为等待某个事件（如I/O操作完成、其他协程的通知等）而暂停执行。协程从运行状态变为挂起状态，释放执行资源，直到等待的事件发生。

创建：
- 库函数：应用程序或库通过特定的库函数（如Python的asyncio.create_task()、C++的std::coroutine_handle）创建新协程。
- 资源分配：应用程序或库分配必要的资源（如栈空间）。
- 协程控制块（CCB）：创建协程控制块（CCB），记录协程的状态、栈指针等信息到CCB。
调度：
- 调度器：使用协程调度器（如Python的asyncio、C++的std::coroutine_handle）选择下一个要执行的协程。
- 调度算法：调度器通常使用简单的调度算法，如基于事件循环的调度。
上下文切换：
- 保存上下文：当当前协程因某种原因（如等待I/O操作、其他协程的通知等）需要暂停执行时，应用程序或库会进行协程切换。
- 更新状态：将当前协程的状态从“运行”改为“挂起”。
- 选择新协程：根据调度算法选择下一个要执行的协程。
- 恢复上下文：从新协程的CCB中恢复其上下文。
- 切换控制权：修改程序状态字（PSW），将控制权交给新的协程。注意，协程的上下文切换完全在用户态进行，不涉及内核态和用户态的转换。
终止：
- 执行完毕或错误：协程执行完毕或因错误而终止。
- 资源释放：应用程序或库释放该协程占用的资源，删除其CCB。