一個故事講完程式、執行緒和協程（作業系統基礎知識）

轉自：碼農翻身（微訊號：coderising）

很久以前，有兩個程式，暫且稱他們旺財和小強吧。

旺財和小強這兩個程式都很長，每個都有十幾萬行。 他們兩個的人生價值就是到CPU上去執行，把執行結果告訴人類。

CPU是稀缺資源，只有一個，他們倆必須排著隊，輪流使用。

旺財從頭到尾執行完了，讓出CPU， 讓小強從頭兒去執行。

人類把這種處理方式叫做 批處理。

程式

長久以來，兩人相安無事。 後來CPU的速度越來越快， 遠遠超過了記憶體，硬碟的速度。

人類想到，這批處理系統的效率有點低啊，你看當小強需要從硬碟上讀取資料的時候，CPU也一直在等待，這是多大的浪費啊！這時候完全可以讓旺財來執行一下嘛！

當然得儲存好小強的 執行現場：具體執行到那一行程式指令了， 函式呼叫到什麼層次了，每個函式呼叫都有什麼樣的引數，CPU暫存器中的值… 等等一系列東西。

如果不把小強的執行現場給儲存下來，等到小強的資料從銀盤讀完了，就沒法回到中斷處來繼續執行了。

這個執行現場，再加上小強的程式碼，就是一個執行中的程式，被稱為 程式 。

旺財和小強在執行的時候，也被改造成了程式。

人類還規定：程式不能長時間佔據CPU， 只能在CPU上執行一小會兒，然後馬上切換到別的程式去執行。

旺財和小強不以為意：不就是執行一會兒，歇一會兒，然後繼續執行嘛！

 但是他們不知道的是，由於CPU執行速度超快，旺財和小強雖然在不斷地切換執行，在人類那緩慢的世界裡看來，旺財和小強好像是同時在執行一樣。 這就是 併發。

  （在人類看來，小強和旺財似乎是在同時執行）

多年以後，他們倆才真正地實現了 並行： 在一個豪華電腦中，每人都被分配了一個CPU ， 真正地同時執行， 這是後話了。

執行緒

這時候旺財在 已經有了介面，還能訪問網路，每當它聯網的時候（這也是個非常非常耗時的操作），就得把CPU讓給小強。

即使旺財再次被排程執行，由於網路資料還沒有返回，他必須等待，什麼事情都做不了，在人類看來，介面根本無法操作，旺財不響應了！ 氣得人類經常把旺財kill掉。

旺財心裡苦，他很納悶小強怎麼就沒有問題，小強不是要讀寫硬碟嗎？ 那也是很慢的操作啊。

小強說：“你傻啊，內部只有一個執行的流程，一遇到耗時的操作就得等待，你看看我，內部搞了兩個執行流程（ 執行緒），一個用來讀寫硬碟（T1)，另外一個處理介面(T2)。我和作業系統商量好了，如果T1在讀寫硬碟， 就可以排程我的T2來執行，這樣介面至少還可以操作。 ”

 旺財覺得很有意思，也採用了類似辦法。

於是，一個程式中至少有一個執行的流程（主執行緒），也可以開啟新的執行流程（執行緒）。

執行緒變成了最小的排程單位。

協程

這一天，旺財被一個叫做生產者和消費者的問題折騰地死去活來，兩個執行緒，一個執行緒向佇列中放資料，另外一個從佇列中取資料，處理起兩個執行緒的協作就顯得很麻煩，不但需要加鎖，還得做好執行緒的通知和等待。

正在感慨多執行緒程式設計之難的時候， 旺財震驚地發現，小強用了一個極為簡單的辦法把生產者，消費者問題給解決了。

這個方法的程式碼如下：

# 生產者
def producer(c):   
    #其他程式碼  
    while True:          
        value = ...生成資料...
        c.send(value)
# 消費者
def consumer():    
    #其他程式碼      
    while True:
        value = yield 
        print(value)
c = consumer()
producer(c)

“這…這怎麼執行啊，那個yield是怎麼回事？” 旺財表示不解。

“簡單啊，你看那個生產者，是不是向消費者傳送了資料？ ” 小強說。

“對啊，然後呢，生產者傳送了資料以後，會馬上進行下一輪迴圈嗎？”

“這就是關鍵所在了，”小強說，“ 它們是這麼執行的：”

1.生產者傳送資料，暫停執行，不進行下一輪迴圈
2.消費者其實一直在value = yield 那裡等待，直到資料到來，現在資料來了，取出處理（value就是生產者傳送過來的資料）。
3.消費者在迴圈中再次yield， 暫停執行。
4.生產者繼續下一輪的迴圈，生成新的訊息，傳送給消費者。

旺財覺得很吃驚，小強竟然 可以讓一個正在執行的程式暫停，他不由得問道：“你這個暫停是真的停止了了，還是說只是像Java的yield那樣，讓出CPU進入了就緒狀態？ 等待下次排程執行？”

“是真的暫停了，程式就停在那裡，等待執行控制權從對方那裡轉移過來。”

“這不是作業系統乾的事情嗎？ ” 旺財更加吃驚了。

“正是這樣，” 小強得意地說：“我打算把類似生產者，消費者這樣的程式碼稱為‘ 協程’， 這個協程有個重要的特點，就是完全被我所排程和掌控， 不用作業系統介入。”

“這個協程和執行緒似乎很像啊。每次協程停止執行的時候，也得儲存現場，要不然沒法恢復執行。” 旺財說。

“是啊，只是他們 比執行緒更加輕量級，作業系統核心不用參與，相當於使用者態執行緒了， 協程的開銷極小，可以輕鬆地建立大量的協程來做事情。 對了，也許你注意到了，我這兩個協程是’ 合作式’的，它們兩個同一時刻只能有一個在執行。 實際上，我在底層可以用一個執行緒去執行這兩個協程。 ”

旺財表示同意：“不錯，既然兩個程式可以’合作’，那就不用加鎖了，也不用在程式碼裡寫什麼wait和notify了，在程式層面，可以用同步的方式實現非同步的功能了！ 程式碼很清晰，我也搞個協程來玩玩吧！”