让代码运行得更快：深入理解进程、线程和协程

让代码运行得更快：深入理解进程、线程和协程

什么是执行体

在深入探讨进程、线程和协程之前，我想先介绍下执行体这个概念。

执行体这个词语是我从七牛云创始人许式伟大佬的专栏中学到的，它代表操作系统中程序执行的载体，涉及到计算资源的分配、访问权限的控制等方面。我们经常提到的进程、线程和协程就是三种不同的执行体。

我们在谈论具体的某种执行体前，首先需要认识到各种执行体出现的根本原因，那就是提高CPU和内存的利用效率。如果我们不定义相应的执行体，CPU和内存就会被浪费掉，这对于计算机的性能是极大的浪费。比如说，我们正在看电影，但是突然想查看一下邮件，如果我们不将电影播放和邮件检查划分为不同的任务，那么我们就需要暂停电影，然后去查看邮件，然而对视频进行解码和从网络拉取邮件是可以并行的操作，这就浪费了CPU的计算能力。因此，合理的划分执行体是提高计算机性能的一个重要手段。

进程

进程是操作系统进行资源分配和调度的基本单位，它是程序运行的载体。

那么，我们为什么需要进程呢？

其实，这主要是为了满足操作系统的多任务需求。我们在使用电脑时，常常需要同时运行多个程序，比如上网、听音乐、写文档等等，这就需要操作系统能够同时处理多个任务，而进程就是实现这个功能的基础。

进程的创建在不同的操作系统中有所不同。在Unix/Linux/Mac中，我们主要使用fork函数来创建进程。而在Windows中，我们使用CreateProcess函数。这两个函数虽然在实现方式上有所不同，但是他们的目的都是创建一个新的进程。

进程有两个重要的特征。

一是内存地址空间隔离，也就是说，每个进程都有自己独立的内存空间，这保证了进程之间不会相互干扰。

二是操作系统内核调度，也就是说，进程的运行是由操作系统内核来调度的，它决定了哪个进程先运行，哪个进程后运行，内核可以在一定程度上保障资源在不同进程之间的合理分配。

线程

线程是比进程更小的执行单位，它是进程内部的独立执行路径。

我们为什么需要线程呢？

这是因为我们在开发一个软件时，常常需要在软件内部进行多任务处理，比如我们在编写一个文档时，可能需要同时进行拼写检查、保存文档等任务，这就需要我们在软件内部创建多个线程来处理这些任务。

线程的特征和进程有些相似，但也有一些不同。

线程同样是由操作系统内核调度的，但是线程之间是共享进程内存地址空间的，这意味着同一个进程内的线程可以访问到相同的数据。

此外，每个线程都有自己的栈，栈的大小在不同的操作系统中有所不同，比如在Linux中，默认线程栈是8M，而在Windows中，默认线程栈是1M。

协程

协程是一种比线程更轻量级的执行单位，它主要用于处理高性能的网络服务需求。

为什么我们需要协程呢？

这是因为在处理高性能网络服务时，我们常常需要使用异步IO，但是异步IO会导致大量的回调逻辑碎片化，这对于我们的编程是非常不利的。因此，我们需要回归到同步IO编程模式，而协程就是实现这个目标的一个重要工具。

协程的特征有三点。

一是它同样共享进程内存地址空间；

二是它由用户程序调度，这意味着我们可以在程序中自由地创建和销毁协程；

三是它无栈或者有较小的栈，这使得我们可以创建大量的协程而不用担心内存消耗。

此外，协程切换的时间成本也比较低。这是因为协程切换是在用户态进行，避免了频繁的内核态和用户态切换，节省了大量的CPU指令。同时，由于协程的上下文结构简单，保存和恢复的开销小，而且由程序自身控制切换时机，可以避免在关键路径上进行切换，这些都大大降低了切换的时间成本。

目前对协程支持的比较好的语言有Go和Erlang，其它语言如C#、Java、Javascript等对协程也有一定的支持。

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总结起来，进程、线程和协程都是为了提高CPU和内存的利用率，满足多任务处理的需求，他们在创建方式、特征和应用场景上各有不同，但都是为了让我们的计算机运行得更高效。希望通过这篇文章，大家对计算机的执行体有了更深入的理解。