进程、线程、协程
（一）进程
1.概念
进程-操作系统提供的抽象概念，是系统进行资源分配和调度的基本单位，是操作系统结构的基础。程序是指令、数据及其组织形式的描述，进程是程序的实体。程序本身是没有生命周期的，它只是存在磁盘上的一些指令,程序一旦运行就是进程。
首先还是说下「程序」的概念，程序是一些保存在磁盘上的指令的有序集合，是静态的。进程是程序执行的过程，包括了动态创建、调度和消亡的整个过程，进程是程序资源管理的最小单位。
2.地址空间
操作系统采用虚拟内存技术，把进程虚拟地址空间划分成用户空间和内核空间。
4GB 的进程虚拟地址空间被分成两部分：用户空间和内核空间
（1）用户空间
用户空间按照访问属性一致的地址空间存放在一起的原则，划分成 5个不同的内存区域。 访问属性指的是“可读、可写、可执行等 。
- 代码段：代码段是用来存放可执行文件的操作指令，可执行程序在内存中的镜像。代码段需要防止在运行时被非法修改，所以只准许读取操作，它是不可写的。
- 数据段：数据段用来存放可执行文件中已初始化全局变量，换句话说就是存放程序静态分配的变量和全局变量。
- BSS段：BSS段包含了程序中未初始化的全局变量，在内存中 bss 段全部置零。
- 堆 heap：堆是用于存放进程运行中被动态分配的内存段，它的大小并不固定，可动态扩张或缩减。当进程调用malloc等函数分配内存时，新分配的内存就被动态添加到堆上（堆被扩张）；当利用free等函数释放内存时，被释放的内存从堆中被剔除（堆被缩减）
- 栈 stack：栈是用户存放程序临时创建的局部变量，也就是函数中定义的变量（但不包括 static 声明的变量，static意味着在数据段中存放变量）。除此以外，在函数被调用时，其参数也会被压入发起调用的进程栈中，并且待到调用结束后，函数的返回值也会被存放回栈中。由于栈的先进后出特点，所以栈特别方便用来保存/恢复调用现场。从这个意义上讲，我们可以把堆栈看成一个寄存、交换临时数据的内存区。
上述几种内存区域中数据段、BSS 段、堆通常是被连续存储在内存中，在位置上是连续的，而代码段和栈往往会被独立存放。堆和栈两个区域在 i386 体系结构中栈向下扩展、堆向上扩展，相对而生。
（2）内核空间
在 x86 32 位系统里，Linux 内核地址空间是指虚拟地址从 0xC0000000 开始到 0xFFFFFFFF 为止的高端内存地址空间，总计 1G 的容量， 包括了内核镜像、物理页面表、驱动程序等运行在内核空间 。
（二）线程
线程是操作操作系统能够进行运算调度的最小单位。线程被包含在进程之中，是进程中的实际运作单位，一个进程内可以包含多个线程，线程是资源调度的最小单位。
1.线程资源和开销
同一进程中的多条线程共享该进程中的全部系统资源，如虚拟地址空间，文件描述符文件描述符和信号处理等等。但同一进程中的多个线程有各自的调用栈、寄存器环境、线程本地存储等信息。
线程创建的开销主要是线程堆栈的建立，分配内存的开销。这些开销并不大，最大的开销发生在线程上下文切换的时候。
2.线程分类
还记得刚开始我们讲的内核空间和用户空间概念吗？线程按照实现位置和方式的不同，也分为用户级线程和内核线程，下面一起来看下这两类线程的差异和特点。
（1）用户级线程
实现在用户空间的线程称为用户级线程。用户线程是完全建立在用户空间的线程库，用户线程的创建、调度、同步和销毁全由用户空间的库函数完成，不需要内核的参与，因此这种线程的系统资源消耗非常低，且非常的高效。
特点：
- 用户线级线程只能参与竞争该进程的处理器资源，不能参与全局处理器资源的竞争。
- 用户级线程切换都在用户空间进行，开销极低。
- 用户级线程调度器在用户空间的线程库实现，内核的调度对象是进程本身，内核并不知道用户线程的存在。
缺点：
- 如果触发了引起阻塞的系统调用的调用，会立即阻塞该线程所属的整个进程。
- 系统只看到进程看不到用户线程，所以只有一个处理器内核会被分配给该进程 ，也就不能发挥多核 CPU 的优势 。
（2）内核级线程
内核级线程是指，内核线程建立和销毁都是由操作系统负责、通过系统调用完成的，内核维护进程及线程的上下文信息以及线程切换。
特点：
- 内核级线级能参与全局的多核处理器资源分配，充分利用多核 CPU 优势。
- 每个内核线程都可被内核调度，因为线程的创建、撤销和切换都是对内核管理的。
- 一个内核线程阻塞与他同属一个进程的线程仍然能继续运行。
缺点：
- 内核级线程调度开销较大。调度内核线程的代价可能和调度进程差不多昂贵，代价要比用户级线程大很多。
- 线程表是存放在操作系统固定的表格空间或者堆栈空间里，所以内核级线程的数量是有限的。
3.进程 VS 线程
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进程是资源的分配和调度的独立单元。进程拥有完整的虚拟地址空间，当发生进程切换时，不同的进程拥有不同的虚拟地址空间。而同一进程的多个线程是可以共享同一地址空间
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线程是CPU调度的基本单元，一个进程包含若干线程。
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线程比进程小，基本上不拥有系统资源。线程的创建和销毁所需要的时间比进程小很多
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由于线程之间能够共享地址空间，因此，需要考虑同步和互斥操作
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一个线程的意外终止会影响整个进程的正常运行，但是一个进程的意外终止不会影响其他的进程的运行。因此，多进程程序安全性更高。
（三）协程
协程（Coroutine，又称微线程）是一种比线程更加轻量级的存在，协程不是被操作系统内核所管理，而完全是由程序所控制。
1.why 协程
当今无数的 Web 服务和互联网服务，本质上大部分都是 IO 密集型服务，什么是 IO 密集型服务？意思是处理的任务大多是和网络连接或读写相关的高耗时任务，高耗时是相对 CPU 计算逻辑处理型任务来说，两者的处理时间差距不是一个数量级的。
IO 密集型服务的瓶颈不在 CPU 处理速度，而在于尽可能快速的完成高并发、多连接下的数据读写。
以前有两种解决方案：
- 如果用多线程，高并发场景的大量 IO 等待会导致多线程被频繁挂起和切换，非常消耗系统资源，同时多线程访问共享资源存在竞争问题。
- 如果用多进程，不仅存在频繁调度切换问题，同时还会存在每个进程资源不共享的问题，需要额外引入进程间通信机制来解决。
协程出现给高并发和 IO 密集型服务开发提供了另一种选择。
2.什么是协程
那什么是协程呢？协程 Coroutines 是一种比线程更加轻量级的微线程。类比一个进程可以拥有多个线程，一个线程也可以拥有多个协程，因此协程又称微线程和纤程。
提示 协程不是进程也不是线程，而是一个特殊的函数。这个函数可以在某个地方被“挂起”,并且可以重新在挂起处外继续运行。所以说，协程与进程、线程相比并不是一个维度的概念。
一个进程可以包含多个线程，一个线程也可以包含多个协程。
简单来说，在一个线程内可以有多个这样的特殊函数在运行，但是有一点必须明确的是：一个线程中的多个协程的运行是串行的。 如果是多核CPU,那多个进程或一个进程内的多个线程是可以并行运行的。但是在一个线程内协程 却绝对是串行的，无论CPU有多少个核毕竟协程虽然是一个特殊的函数，但仍然是一个函数。 一个线程内可以运行多个函数，但这些函数都是串行运行的。当一个协程运行时，其他协程必须被挂起。
3.调度开销
线程是被内核所调度，线程被调度切换到另一个线程上下文的时候，需要保存一个用户线程的状态到内存，恢复另一个线程状态到寄存器，然后更新调度器的数据结构，这几步操作设计用户态到内核态转换，开销比较多。
协程的调度完全由用户控制，协程拥有自己的寄存器上下文和栈，协程调度切换时，将寄存器上下文和栈保存到其他地方，在切回来的时候，恢复先前保存的寄存器上下文和栈，直接操作用户空间栈，完全没有内核切换的开销。
4.进程、线程、协程的对比
进程、线程、协程的对比如下：
- 协程既不是进程也不是线程，协程仅是一个特殊的函数。协程、进程和线程不是一个维度的。
- 一个进程可以包含多个线程，一个线程可以包含多个协程。虽然一个线程内的多个协程可以切换但是这多个协程是串行执行的，某个时刻只能有一个线程在运行，没法利用CPU的多核能力。
- 协程与进程一样，也存在上下文切换问题。
- 进程的切换者是操作系统，切换时机是根据操作系统自己的切换策略来决定的，用户是无感的。进程的切换内容包括页全局目录、内核栈和硬件上下文，切换内容被保存在内存中。 进程切换过程采用的是“从用户态到内核态再到用户态”的方式，切换效率低。
- 线程的切换者是操作系统，切换时机是根据操作系统自己的切换策略来决定的，用户是无感的。线程的切换内容包括内核栈和硬件上下文。线程切换内容被保存在内核栈中。线程切换过程采用的是“从用户态到内核态再到用户态”的方式，切换效率中等。
- 协程的切换者是用户(编程者或应用程序),切换时机是用户自己的程序来决定的。协程的切换内容是硬件上下文，切换内存被保存在用自己的变量(用户栈或堆)中。协程的切换过程只有用户态(即没有陷入内核态),因此切换效率高。
