协程的介绍
分享于：2020-09-28 10:16:52
在介绍协程之前，我们需要重温下进程和线程。
什么是进程和线程？
进程就是应用程序的启动实例。比如我们运行一个游戏，打开一个软件，就是开启了一个进程。进程拥有代码和打开的文件资源、数据资源、独立的内存空间。
线程从属于进程，是程序的实际执行者，一个进程至少包含一个主线程，也可以有更多的子线程，线程拥有自己的栈空间。
对操作系统来说，线程是最小的执行单元，进程是最小的资源管理单元。无论进程还是线程，都是由操作系统所管理的。
线程的状态
Java中线程五种状态：初始化、可运行、运行中、阻塞、销毁。
线程不同状态之间的转化是谁来实现的呢？是JVM吗？
并不是。JVM需要通过操作系统内核中的TCB（Thread Control Block）模块来改变线程的状态，这一过程需要耗费一定的CPU资源。
进程和线程的痛点
线程之间是如何进行协作的呢？
最经典的例子就是生产者/消费者模式：
若干个生产者线程向队列中写入数据，若干个消费者线程从队列中消费数据。
用java语言实现生产者/消费者模式
public class ProducerConsumerTest {
public static void main(String args[]) {
final Queue<Integer> sharedQueue = new Queue();
Thread producer = new Producer(sharedQueue);
Thread consumer = new Consumer(sharedQueue);
producer.start();
consumer.start();
}
}生产者：
class Producer extends Thread {
private static final int MAX_QUEUE_SIZE = 5;
private final Queue sharedQueue;
public Producer(Queue sharedQueue) {
super();
this.sharedQueue = sharedQueue;
}
@Override
public void run() {
for (int i = 0; i < 100; i++) {
synchronized (sharedQueue) {
while (sharedQueue.size() >= MAX_QUEUE_SIZE) {
System.out.println("队列满了，等待消费");
try {
sharedQueue.wait();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
sharedQueue.add(i);
System.out.println("进行生产 : " + i);
sharedQueue.notify();
}
}
}
}消费者：
class Consumer extends Thread {
private final Queue sharedQueue;
public Consumer(Queue sharedQueue) {
super();
this.sharedQueue = sharedQueue;
}
@Override
public void run() {
while (true) {
synchronized (sharedQueue) {
while (sharedQueue.size() == 0) {
try {
System.out.println("队列空了，等待生产");
sharedQueue.wait();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
int number = sharedQueue.poll();
System.out.println("进行消费 : " + number);
sharedQueue.notify();
}
}
}
}这段代码做了下面几件事：
1.定义了一个生产者类，一个消费者类。
2.生产者类循环100次，向同步队列当中插入数据。
3.消费者循环监听同步队列，当队列有数据时拉取数据。
4.如果队列满了（达到5个元素），生产者阻塞。
5.如果队列空了，消费者阻塞。
上面的代码正确地实现了生产者/消费者模式，但是却并不是一个高性能的实现。为什么性能不高呢？原因如下：
1.涉及到同步锁。
2.涉及到线程阻塞状态和可运行状态之间的切换。
3.涉及到线程上下文的切换。
以上涉及到的任何一点，都是非常耗费性能的操作。
什么是协程呢？
协程（Coroutines）是一种比线程更加轻量级的存在，正如一个进程可以拥有多个线程一样，一个线程可以拥有多个协程。
协程不是被操作系统内核所管理的，而是完全由程序所控制，也就是在用户态执行。这样带来的好处是性能大幅度的提升，因为不会像线程切换那样消耗资源。
来看一段Python中使用协程的案例，同样以生产者消费者模式为例：
#!/usr/bin/env python3
#consume是协程函数
def consume():
while True:
#yield此处会被挂起，等待接收数据
number = yield
print('开始消费',number)
consumer = consume()
#执行consumer协程，暂时会在yield处停止
next(consumer)
for num in range(1,100):
print('开始生产',num)
#发送数据给consumer协程，yield处会被唤醒
consumer.send(num)这段代码十分简单，即使没用过python的小伙伴应该也能基本看懂。
代码中创建了一个叫做consumer的协程，并且在主线程中生产数据，协程中消费数据。
其中 yield 是python当中的语法。当协程执行到yield关键字时，会暂停在那一行，等到主线程调用send方法发送了数据，协程才会接到数据继续执行。
但是，yield让协程暂停，和线程的阻塞是有本质区别的。协程的暂停完全由程序控制，线程的阻塞状态是由操作系统内核来进行切换。
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。协程的开销远远小于线程的开销。
进程、线程、协程的对比
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，一个线程内可以由多个这样的特殊函数在运行，但是有一点必须明确的是，一个线程的多个协程的运行是串行的。如果是多核CPU，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，其它协程必须挂起。
协程既不是进程也不是线程，协程仅仅是一个特殊的函数，协程它进程和进程不是一个维度的。
一个进程可以包含多个线程，一个线程可以包含多个协程。
一个线程内的多个协程虽然可以切换，但是多个协程是串行执行的，只能在一个线程内运行，没法利用CPU多核能力。想充分利用CPU，就得根据具体的服务器核数启动同样多的线程运行。
协程与进程一样，切换是存在上下文切换问题的。
上下文切换
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，用户是无感知的。进程的切换内容包括页全局目录、内核栈、硬件上下文，切换内容保存在内存中。进程切换过程是由“用户态到内核态到用户态”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，用户无感知。线程的切换内容包括内核栈和硬件上下文。线程切换内容保存在内核栈中。线程切换过程是由“用户态到内核态到用户态”， 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所决定的。协程的切换内容是硬件上下文，切换内存保存在用户自己的变量（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。
协程的应用
有哪些编程语言应用到了协程呢？我们举几个栗子：
Lua语言
Lua从5.0版本开始使用协程，通过扩展库coroutine来实现。
Python语言
正如刚才所写的代码示例，python可以通过 yield/send 的方式实现协程。在python 3.5以后，async/await 成为了更好的替代方案。
Go语言
Go语言对协程的实现非常强大而简洁，可以轻松创建成百上千个协程并发执行。
Java语言
如上文所说，Java语言并没有对协程的原生支持，但是某些开源框架模拟出了协程的功能，有兴趣的小伙伴可以看一看Kilim框架的源码：
PHP语言
swoole扩展可以让PHP实现协程的功能。
来源：https://blog.csdn.net/zheng199172/article/details/88800275