程序、執行緒和協程之間的區別和聯絡

BrandonV發表於2024-05-16
執行緒

文章目錄

一、程序
二、執行緒
三、程序和執行緒的區別與聯絡
四、一個形象的例子解釋程序和執行緒的區別
五、程序/執行緒之間的親緣性
六、協程

一、程序

程序，直觀點說，儲存在硬碟上的程式執行以後，會在記憶體空間裡形成一個獨立的記憶體體，這個記憶體體有自己獨立的地址空間，有自己的堆，上級掛靠單位是作業系統。作業系統會以程序為單位，分配系統資源（CPU時間片、記憶體等資源），程序是資源分配的最小單位。
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【程序間通訊（IPC）】：

管道(Pipe)、命名管道(FIFO)、訊息佇列(Message Queue) 、訊號量(Semaphore) 、共享記憶體（Shared Memory）；套接字（Socket）。

二、執行緒

執行緒，有時被稱為輕量級程序(Lightweight Process，LWP），是作業系統排程（CPU排程）執行的最小單位。
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三、程序和執行緒的區別與聯絡

【區別】

  • 排程：執行緒作為排程和分配的基本單位，程序作為擁有資源的基本單位；

  • 併發性：不僅程序之間可以併發執行，同一個程序的多個執行緒之間也可併發執行；

  • 擁有資源：程序是擁有資源的一個獨立單位，執行緒不擁有系統資源，但可以訪問隸屬於程序的資源。程序所維護的是程式所包含的資源（靜態資源）， 如：地址空間，開啟的檔案控制代碼集，檔案系統狀態，訊號處理handler等；執行緒所維護的執行相關的資源（動態資源），如：執行棧，排程相關的控制資訊，待處理的訊號集等；

  • 系統開銷：在建立或撤消程序時，由於系統都要為之分配和回收資源，導致系統的開銷明顯大於建立或撤消執行緒時的開銷。但是程序有獨立的地址空間，一個程序崩潰後，在保護模式下不會對其它程序產生影響，而執行緒只是一個程序中的不同執行路徑。執行緒有自己的堆疊和區域性變數，但執行緒之間沒有單獨的地址空間，一個程序死掉就等於所有的執行緒死掉，所以多程序的程式要比多執行緒的程式健壯，但在程序切換時，耗費資源較大，效率要差一些。

【聯絡】

  • 一個執行緒只能屬於一個程序，而一個程序可以有多個執行緒，但至少有一個執行緒；

  • 資源分配給程序，同一程序的所有執行緒共享該程序的所有資源；

  • 處理機分給執行緒，即真正在處理機上執行的是執行緒；

  • 執行緒在執行過程中，需要協作同步。不同程序的執行緒間要利用訊息通訊的辦法實現同步。

四、一個形象的例子解釋程序和執行緒的區別

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這副圖是一個雙向多車道的道路圖，假如我們把整條道路看成是一個“程序”的話，那麼圖中由白色虛線分隔開來的各個車道就是程序中的各個“執行緒”了。

這些執行緒(車道)共享了程序(道路)的公共資源(土地資源)。

這些執行緒(車道)必須依賴於程序(道路)，也就是說，執行緒不能脫離於程序而存在(就像離開了道路，車道也就沒有意義了)。

這些執行緒(車道)之間可以併發執行(各個車道你走你的，我走我的)，也可以互相同步(某些車道在交通燈亮時禁止繼續前行或轉彎，必須等待其它車道的車輛通行完畢)。

這些執行緒(車道)之間依靠程式碼邏輯(交通燈)來控制執行，一旦程式碼邏輯控制有誤(死鎖，多個執行緒同時競爭唯一資源)，那麼執行緒將陷入混亂，無序之中。

這些執行緒(車道)之間誰先執行是未知的，只有線上程剛好被分配到CPU時間片(交通燈變化)的那一刻才能知道。

五、程序/執行緒之間的親緣性

親緣性的意思是程序/執行緒只在某個cpu上執行（多核系統），比如：

BOOL WINAPI SetProcessAffinityMask(
  _In_ HANDLE    hProcess,
  _In_ DWORD_PTR dwProcessAffinityMask
);
/*
dwProcessAffinityMask 如果是 0 , 代表當前程序只在cpu0 上工作;
如果是 0x03 , 轉為2進位制是 00000011 . 代表只在 cpu0 或 cpu1上工作;
*/

使用CPU親緣性的好處：設定CPU親緣性是為了防止程序/執行緒在CPU的核上頻繁切換，從而避免因切換帶來的CPU的L1/L2 cache失效，cache失效會降低程式的效能。

六、協程

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協程，是一種比執行緒更加輕量級的存在，協程不是被作業系統核心所管理，而完全是由程式所控制（也就是在使用者態執行）。這樣帶來的好處就是效能得到了很大的提升，不會像執行緒切換那樣消耗資源。

子程式，或者稱為函式，在所有語言中都是層級呼叫，比如A呼叫B，B在執行過程中又呼叫了C，C執行完畢返回，B執行完畢返回，最後是A執行完畢。所以子程式呼叫是透過棧實現的，一個執行緒就是執行一個子程式。子程式呼叫總是一個入口，一次返回，呼叫順序是明確的。而協程的呼叫和子程式不同。

協程在子程式內部是可中斷的，然後轉而執行別的子程式，在適當的時候再返回來接著執行。

def A():
    print '1'
    print '2'
    print '3'

def B():
    print 'x'
    print 'y'
    print 'z'

假設由協程執行，在執行A的過程中，可以隨時中斷，去執行B，B也可能在執行過程中中斷再去執行A，結果可能是：1 2 x y 3 z。

協程的特點在於是一個執行緒執行，那和多執行緒比，協程有何優勢？

  • 極高的執行效率：因為子程式切換不是執行緒切換，而是由程式自身控制，因此，沒有執行緒切換的開銷，和多執行緒比，執行緒數量越多，協程的效能優勢就越明顯；

  • 不需要多執行緒的鎖機制：因為只有一個執行緒，也不存在同時寫變數衝突，在協程中控制共享資源不加鎖，只需要判斷狀態就好了，所以執行效率比多執行緒高很多。

原文連結：https://blog.csdn.net/daaikuaichuan/article/details/82951084

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