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进程、线程与协程:理解程序执行的三种维度

在操作系统中,程序是如何被组织和执行的?进程、线程与协程是三个层层递进、不断细化的执行单元概念。进程是资源分配的基本单位。你可以将一个运行中的程序理解为一个进程。操作系统为每个进程分配独立的地址空间(...

在操作系统中,程序是如何被组织和执行的?进程、线程与协程是三个层层递进、不断细化的执行单元概念。
进程是资源分配的基本单位。你可以将一个运行中的程序理解为一个进程。操作系统为每个进程分配独立的地址空间(内存)、文件描述符、安全属性等资源。进程之间相互隔离,一个进程崩溃通常不会直接影响其他进程,通信需要通过进程间通信机制,如管道、消息队列,开销较大。创建和销毁进程(称为上下文切换)的系统开销也相对较大。
线程是CPU调度的基本单位,它是进程内部的一个执行流。一个进程可以包含多个线程,这些线程共享进程的所有资源(如内存空间、打开的文件)。线程自己只拥有少量独立的资源,如程序计数器、寄存器和栈。由于共享内存,线程间通信和数据交换非常高效便捷。但这也带来了同步问题,需要使用互斥锁、信号量等机制来防止多个线程同时修改共享数据造成混乱。线程的创建、切换开销远小于进程。
简单比喻:进程好比一个工厂,拥有独立的厂房、仓库(资源);线程好比工厂里的工人,共享厂房和仓库,协同完成生产任务。
协程,又称微线程,是一种更轻量级的用户态执行单元。它的调度完全由程序员在用户态控制,而非操作系统内核。协程在挂起时,会保存自身的栈和寄存器状态,下次恢复时能从中断点继续执行。一个线程内部可以运行成千上万个协程。
与线程的核心区别:线程切换是“抢占式”的,由操作系统内核的调度器根据时间片强行切换,开销涉及用户态到核心态的转换。协程是“协作式”的,由协程自身主动让出执行权,切换过程完全在用户态,开销极小。它非常适合处理大量I/O密集型任务(如网络服务器),能在等待I/O时自动切换,最大化利用CPU。Go语言中的goroutine是协程的经典实现。
总结:进程提供隔离,线程共享资源提升并发效率,协程则追求极致的轻量与高效,三者适用于不同场景。

进程、线程与协程:理解程序执行的三种维度第1张图

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