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一个故事讲完进程、线程和协程

旺财和小强这两个程序都很长,每个都有十几万行。 他们两个的人生价值就是到CPU上去运行,把运行结果告诉人类。

作者:刘欣|2018-06-05 15:41

【51CTO技术沙龙】10月27日,让我们共同探索AI场景化应用实现之道

很久以前,有两个程序,暂且称他们旺财和小强吧。

旺财和小强这两个程序都很长,每个都有十几万行。 他们两个的人生价值就是到CPU上去运行,把运行结果告诉人类。

CPU是稀缺资源,只有一个,他们俩必须排着队,轮流使用。

旺财从头到尾执行完了,让出CPU, 让小强从头儿去执行。

人类把这种处理方式叫做批处理。

进程

长久以来,两人相安无事。 后来CPU的速度越来越快, 远远超过了内存,硬盘的速度。

人类想到,这批处理系统的效率有点低啊,你看当小强需要从硬盘上读取数据的时候,CPU也一直在等待,这是多大的浪费啊!这时候完全可以让旺财来运行一下嘛!

当然得保存好小强的执行现场:具体执行到那一行程序指令了, 函数调用到什么层次了,每个函数调用都有什么样的参数,CPU寄存器中的值..... 等等一系列东西。

如果不把小强的执行现场给保存下来,等到小强的数据从银盘读完了,就没法回到中断处来继续执行了。

这个执行现场,再加上小强的代码,就是一个执行中的程序,被称为“进程” 。

旺财和小强在运行的时候,也被改造成了进程。

人类还规定:进程不能长时间占据CPU, 只能在CPU上执行一小会儿,然后马上切换到别的进程去执行。

旺财和小强不以为意:不就是执行一会儿,歇一会儿,然后继续执行嘛!

但是他们不知道的是,由于CPU运行速度超快,旺财和小强虽然在不断地切换运行,在人类那缓慢的世界里看来,旺财和小强好像是同时在执行一样。  这就是并发。

(在人类看来,小强和旺财似乎是在同时执行)

多年以后,他们俩才真正地实现了并行: 在一个豪华电脑中,每人都被分配了一个CPU , 真正地同时执行, 这是后话了。

线程

这时候旺财已经有了界面,还能访问网络,每当它联网的时候(这也是个非常非常耗时的操作),就得把CPU让给小强。

即使旺财再次被调度执行,由于网络数据还没有返回,他必须等待,什么事情都做不了,在人类看来,界面根本无法操作,旺财不响应了!  气得人类经常把旺财kill掉。

旺财心里苦,他很纳闷小强怎么就没有问题,小强不是要读写硬盘吗? 那也是很慢的操作啊。

小强说:“你傻啊,内部只有一个执行的流程,一遇到耗时的操作就得等待,你看看我,内部搞了两个执行流程(线程),一个用来读写硬盘(T1),另外一个处理界面(T2)。我和操作系统商量好了,如果T1在读写硬盘, 就可以调度我的T2来执行,这样界面至少还可以操作。 ”

旺财觉得很有意思,也采用了类似办法。

于是,一个进程中至少有一个执行的流程(主线程),也可以开启新的执行流程(线程)。

线程变成了最小的调度单位。

协程

这一天,旺财被一个叫做生产者和消费者的问题折腾地死去活来,两个线程,一个线程向队列中放数据,另外一个从队列中取数据,处理起两个线程的协作就显得很麻烦,不但需要加锁,还得做好线程的通知和等待。

正在感慨多线程编程之难的时候, 旺财震惊地发现,小强用了一个极为简单的办法把生产者,消费者问题给解决了。

这个方法的代码如下:

  1. # 生产者 
  2. def producer(c):    
  3.     #其他代码   
  4.     while True:           
  5.         value = ...生成数据... 
  6.         c.send(value) 
  7.  
  8. # 消费者 
  9. def consumer():     
  10.     #其他代码       
  11.     while True
  12.         value = yield  
  13.         print(value) 
  14.  
  15. c = consumer() 
  16. producer(c) 

“这....这怎么执行啊,那个yield是怎么回事?”  旺财表示不解。

“简单啊,你看那个生产者,是不是向消费者发送了数据? ” 小强说。

“对啊,然后呢,生产者发送了数据以后,会马上进行下一轮循环吗?”

“这就是关键所在了,”小强说,“ 它们是这么执行的:”

  1. 生产者发送数据,暂停运行,不进行下一轮循环
  2. 消费者其实一直在value = yield 那里等待,直到数据到来,现在数据来了,取出处理(value就是生产者发送过来的数据)。
  3. 消费者在循环中再次yield, 暂停执行。
  4. 生产者继续下一轮的循环,生成新的消息,发送给消费者。

旺财觉得很吃惊,小强竟然可以让一个正在执行的程序暂停,他不由得问道:“你这个暂停是真的停止了了,还是说只是像Java的yield那样,让出CPU进入了就绪状态? 等待下次调度运行?”

“是真的暂停了,程序就停在那里,等待运行控制权从对方那里转移过来。”

“这不是操作系统干的事情吗? ” 旺财更加吃惊了。

“正是这样,” 小强得意地说:“我打算把类似生产者,消费者这样的代码称为‘协程’, 这个协程有个重要的特点,就是完全被我所调度和掌控, 不用操作系统介入。”

“这个协程和线程似乎很像啊。每次协程停止执行的时候,也得保存现场,要不然没法恢复执行。” 旺财说。

“是啊,只是他们比线程更加轻量级,操作系统内核不用参与,相当于用户态线程了,协程的开销极小,可以轻松地创建大量的协程来做事情。 对了,也许你注意到了,我这两个协程是'合作式'的,它们两个同一时刻只能有一个在运行。 实际上,我在底层可以用一个线程去执行这两个协程。  ”

旺财表示同意:“不错,既然两个程序可以'合作',那就不用加锁了,也不用在代码里写什么wait和notify了,在程序层面,可以用同步的方式实现异步的功能了! 代码很清晰,我也搞个协程来玩玩吧!”

【本文为51CTO专栏作者“刘欣”的原创稿件,转载请通过作者微信公众号coderising获取授权】

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