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并发编程的艺术-“程”:探索进程、线程、协程、纤程与管程

发表于:2023-10-12 作者:玄明Hanko 来源:今日头条

一、并发中的程

在计算机科学领域,处理多任务和并发执行是一项重要的挑战。为了解决这个问题,出现了多种并发模型和概念,包括进程、线程、协程、纤程和管程。本文将深入探讨这些并发概念,帮助读者理解它们的原理、特点和应用场景。

1、进程(Process)

进程是操作系统中的基本执行单位。每个进程都有自己独立的地址空间和系统资源,如内存、文件描述符等。进程之间相互独立,彼此隔离,通过进程间通信(IPC)来进行数据交换和通信。进程的切换开销较大,因为需要保存和恢复每个进程的状态。进程模型适用于需要隔离和保护数据的场景,但进程间的通信相对较慢,因为需要经过操作系统。

2、线程(Thread)

线程是在进程内部创建和运行的执行单元,共享进程的地址空间和系统资源。线程之间可以直接访问进程内的共享数据,因此共享数据的同步和保护需要额外的措施,如使用锁或其他同步机制。线程的切换开销相对较小,因为线程共享进程的资源。线程模型适用于需要共享数据和较小的切换开销的场景,但线程之间的同步和互斥可能导致复杂的编程和竞争条件。

3、协程(Coroutine)

协程(Coroutine)是一种轻量级的并发编程模型,它允许在单个线程内创建多个执行流程,可以在这些执行流程之间进行切换,从而实现并发处理。协程不同于传统的线程,它们更加轻量级,切换开销更低,可以更好地利用系统资源,以及更灵活地管理并发任务。

协程的主要特点包括:

  • 轻量级: 协程是轻量级的执行单位,相比于操作系统线程更加节省内存和资源。
  • 协作式调度: 协程的调度是协作式的,即协程在适当的时候自行挂起,并把控制权交给其他协程。这与操作系统线程的抢占式调度不同。
  • 避免上下文切换: 协程之间的切换不需要像线程那样的昂贵上下文切换开销,因为切换是由协程自己管理的。
  • 更高的并发性能: 协程的切换开销较小,使得在相同资源限制下可以创建更多的执行流程,从而提高并发性能。
  • 简化并发编程: 协程模型可以将异步编程变得更加直观和易于理解,避免了传统回调式编程的复杂性。

许多编程语言和平台已经引入了协程的概念,例如:

  • Python: Python 3.5+ 引入了async/await语法,允许使用协程来编写异步代码。
  • Kotlin: Kotlin 提供了coroutine机制,允许开发者以类似同步的方式处理异步操作。
  • Go: Go 语言支持协程(goroutines)和通道(channels)来实现并发。
  • Java: Java 通过 Project Loom(截至我所知截止日期)计划引入协程,以改进并发编程。

协程在异步编程、并发处理、实时数据流处理等领域都有广泛应用,能够帮助开发者更有效地处理并发任务和事件流。

4、纤程(Fiber)

纤程是Java Project Loom中引入的一种概念,也称为虚拟线程。它是一种由Java虚拟机(JVM)管理的轻量级线程,相比传统的操作系统线程,纤程的创建和销毁成本更低。纤程采用协作式调度,需要显式地调用纤程切换函数来实现切换。纤程的引入使得Java应用程序能够更好地处理大规模并发请求和高负载。

协程的一个关键优势是,它们能够避免传统线程所带来的高昂开销,同时仍能提供并发性能和多任务处理的好处。协程之间的切换可以更加灵活,不受操作系统线程限制,使得开发者能够更自由地管理并发任务。这种编程模型适用于需要大量并发任务协作的应用场景,如网络编程、并行计算、数据流处理等。

协程是一种新颖的并发编程模型,具有很大的潜力来改变现有的并发编程方式。Java Project Loom等类似项目正在推动协程的发展和应用。

5、管程(Monitor)

管程(Monitor)是一种并发编程概念,用于管理多个线程之间的互斥访问共享资源的问题。它提供了一种同步机制,以确保在任何时刻只有一个线程可以访问被保护的共享资源,从而避免竞态条件和数据不一致性。

管程通常包含以下几个核心要素:

  • 临界区(Critical Section): 这是管程中被保护的代码段,只能由一个线程同时执行。临界区的目标是访问共享资源,确保数据的一致性和正确性。
  • 互斥锁(Mutex): 互斥锁是管程中的同步机制,用于保护临界区。一次只有一个线程可以持有互斥锁,其他线程需要等待锁的释放才能进入临界区。
  • 条件变量(Condition Variable): 条件变量是管程中的一种通信机制,用于在线程之间传递信息。它允许线程等待某些条件满足后再继续执行,从而避免忙等待。

管程的主要目标是简化并发编程,提供一种结构化的方式来管理共享资源的访问。它可以避免一些典型的并发问题,如死锁、竞态条件和数据竞争。

在编程语言中,一些提供了管程概念的示例包括:

  • Java: Java中的synchronized关键字用于创建管程,其中synchronized块用于标识临界区,确保只有一个线程可以进入。Java还提供了wait()和notify()等方法来实现条件变量。
  • Python: Python中的threading模块提供了Lock和Condition等类,用于创建管程。with语句可以用来确保临界区的同步。
  • C++: C++中的std::mutex和std::condition_variable等类用于创建管程。C++11引入的std::thread库也提供了类似的同步机制。

管程是并发编程中重要的概念,帮助开发者避免一些常见的并发问题,确保多个线程能够安全地访问共享资源。

二、程之间关系

1、进程、线程、协程

进程、线程和协程是计算机程序执行中的重要概念,它们都与并发执行和多任务处理有关。下面是它们之间的关系:

  • 进程(Process): 进程是操作系统中的基本执行单元。它是一个独立的执行环境,拥有自己的地址空间、数据和代码段。一个进程可以包含多个线程,每个进程都是相互独立的,各自运行在自己的内存空间中。进程之间的通信和数据共享需要特殊的机制,如管道、消息队列、共享内存等。
  • 线程(Thread): 线程是在进程内部执行的较小单位,是进程中的实际执行者。一个进程可以包含多个线程,这些线程共享进程的地址空间和资源,包括文件描述符、信号处理等。由于线程共享同一进程的资源,线程之间的通信更加容易,但也需要考虑同步和互斥问题,以避免竞争条件。
  • 协程(Coroutine): 协程是一种用户态的轻量级线程,也被称为"微线程"。与操作系统线程相比,协程由程序员控制,它在不同任务之间进行切换,而不需要操作系统的参与。协程常常在同一个线程中运行,通过显式的挂起和恢复操作,在执行不同任务时切换上下文。协程通常用于高效的并发编程,可以在某些情况下提供比传统线程更高的性能。

2、协程与纤程关系

Java 标准库中仍然没有原生支持协程的特性。然而,Quasar(2011年)、Kotlin Coroutines(2017年)、Project Loom(进行中)等项目和库的出现表明 Java 社区对于高效并发编程的需求,以及对于协程式编程的探索和实践,并且未来 Java 的发展可能会进一步引入更加高级的并发机制,为开发者提供更优雅和高效的并发编程体验。

以下是一些与Java协程相关的项目和库:

  • Project Loom: Java项目Loom是一个旨在改进Java并发性能和可维护性的项目,其中的一项重要目标是引入协程。Loom计划通过引入虚拟线程(Virtual Threads)来实现协程,从而提供轻量级、高效的并发处理方式。虚拟线程可以创建成百上千个,而不会像传统线程那样消耗大量的内存资源。这个项目正在积极开发中,预计将来会为Java开发者带来更好的并发编程体验。
  • Quasar: Quasar是一个开源库,为Java应用程序提供了协程、通道(Channels)和轻量级线程等功能。它通过使用字节码增强技术,允许在Java虚拟机上实现协程和并发编程。Quasar的目标是让Java开发者能够轻松地编写高效的并发代码,而不需要过多地关心线程管理细节。
  • Project Reactor: Project Reactor是一个用于构建异步和事件驱动应用程序的库,它实现了Reactive Streams规范。尽管它不是严格意义上的协程库,但它提供了响应式编程的概念,可用于处理异步事件和数据流。
  • Quasar Fiber: Quasar Fiber是Quasar库的一部分,专注于提供轻量级线程和协程的功能。它的目标是在Java中实现更轻量级、高效的并发处理方式。