进程、线程、协程 核心知识点
进程、线程、协程是并发编程的核心抽象，三者从资源粒度 、调度方式 、开销成本上层层递进，适配不同的并发场景。
进程（Process）
定义
进程是操作系统资源分配的基本单位，是程序的一次动态执行过程（包含程序代码、数据、内存空间、文件句柄等资源）。每个进程拥有独立的地址空间，与其他进程相互隔离。
核心特征
| 特征 | 说明 |
|---|---|
| 独立性 | 进程拥有独立的内存空间、文件描述符、寄存器等，一个进程崩溃不会影响其他进程（受内核保护） |
| 资源独占 | 系统为每个进程分配独立的内存（如堆、栈、数据段），进程间默认无法直接共享数据 |
| 调度单位 | 由操作系统内核调度（CPU调度），调度时需切换内存映射、页表等，开销极大 |
| 并发/并行 | 多进程可并行（多核CPU）或并发（单核CPU时间片轮转）执行 |
进程的生命周期
- 创建态 ：进程被创建（如
fork()/CreateProcess()），系统分配资源但未就绪； - 就绪态：资源分配完成，等待CPU调度；
- 运行态：占用CPU，执行程序代码；
- 阻塞态：等待I/O、信号量等事件，主动放弃CPU；
- 终止态：进程执行完毕/异常终止，系统回收资源。
进程间通信（IPC）
因进程地址空间隔离，需通过内核中转通信：
- 管道（匿名管道/命名管道）：半双工，适用于父子进程/同机进程；
- 消息队列：内核维护的消息链表，可按类型收发；
- 共享内存：最快的IPC方式，多个进程映射同一块物理内存（需加锁同步）；
- 信号量：用于进程间同步（控制资源访问）；
- 信号：异步通知机制（如
SIGKILL终止进程）； - 套接字（Socket）：跨网络/跨机进程通信（TCP/UDP）。
优缺点
| 优点 | 缺点 |
|---|---|
| 稳定性高（崩溃不扩散） | 创建/切换开销极大 |
| 隔离性好 | 资源占用高（内存/CPU） |
| 可利用多核CPU | 通信复杂、同步成本高 |
典型应用
- 独立运行的程序（如浏览器、微信、MySQL服务）；
- 计算密集型任务（如视频渲染，多进程利用多核）。
线程（Thread）
定义
线程是操作系统CPU调度的基本单位，也叫"轻量级进程"，隶属于进程，共享进程的地址空间（代码段、堆、文件句柄等），仅拥有独立的栈空间、寄存器和程序计数器。
核心特征
| 特征 | 说明 |
|---|---|
| 资源共享 | 同一进程内的所有线程共享进程资源（如内存、数据库连接），无需IPC即可通信 |
| 轻量级 | 线程创建/切换仅需保存栈和寄存器，开销远低于进程 |
| 调度方式 | 内核抢占式调度（内核可随时中断线程，分配CPU给其他线程） |
| 并发粒度 | 更细（单进程内多线程可同时执行不同任务） |
| 依附性 | 线程不能独立存在，进程终止则所有线程终止 |
线程的分类
- 内核线程 ：由操作系统内核创建和管理（如Linux的
pthread），可利用多核； - 用户线程：用户态库管理，内核不可见（已被淘汰）；
- 轻量级线程（LWP）：内核线程与用户线程的映射（1:1/多:1/多:多），主流为1:1（如Java的Thread）。
线程同步机制
因共享资源，多线程易出现"竞态条件"，需同步控制：
- 互斥锁（Mutex）：保证同一时间只有一个线程访问临界资源；
- 自旋锁：线程忙等锁释放（适用于锁持有时间短的场景）；
- 读写锁（RWLock）：读共享、写独占，提升读密集型场景效率；
- 条件变量：线程间的等待-唤醒机制（如生产者-消费者模型）；
- 信号量：控制同时访问资源的线程数；
- 原子操作：无锁同步（如
AtomicInteger，基于CPU指令）。
线程的问题
- 线程安全：多线程操作共享数据时，未同步导致数据错乱（如计数器值异常）；
- 死锁：多个线程互相持有对方需要的锁，导致永久阻塞；
- 上下文切换：内核调度线程时的上下文保存/恢复，高并发下开销显著；
- GIL（Python特有）：全局解释器锁，导致Python多线程无法利用多核（仅能并发，不能并行）。
优缺点
| 优点 | 缺点 |
|---|---|
| 开销远低于进程 | 稳定性差（一个线程崩溃致进程终止） |
| 通信简单（共享内存） | 需处理同步/死锁问题 |
| 可利用多核（无GIL） | 切换仍有内核态开销 |
典型应用
- 单进程内的并发任务（如Web服务器的请求处理线程）；
- I/O密集型任务（如同时处理多个网络请求）；
- 图形界面程序（UI线程+后台任务线程）。
协程（Coroutine）
定义
协程是用户态的轻量级线程，也叫"微线程"，由程序/框架（而非内核）调度，运行在单线程内，通过主动让出CPU实现多任务并发。
核心特征
| 特征 | 说明 |
|---|---|
| 用户态调度 | 调度逻辑由用户代码实现（如asyncio、Go GPM），无内核态切换开销 |
| 非抢占式 | 协程需主动让出CPU（如await/yield），其他协程才能执行 |
| 资源共享 | 同一线程内的协程共享线程资源，无需锁（单线程内串行执行） |
| 极致轻量化 | 初始栈仅KB级（Go goroutine 2KB），单机可创建百万级协程 |
| 绑定线程 | 协程运行在固定线程内，默认无法利用多核（需结合多线程/多进程） |
协程的核心模型
| 模型 | 代表语言/框架 | 说明 |
|---|---|---|
| 异步回调 | JavaScript（早期）、Python（twisted） | 基于回调函数实现协程调度，易出现"回调地狱" |
| 生成器协程 | Python（yield/yield from） | 基于生成器暂停/恢复机制，手动调度协程 |
| 原生协程 | Python（async/await）、Go | 语言层面原生支持，由运行时/框架自动调度 |
| 虚拟线程 | Java 21+（Virtual Thread） | JVM层面的协程，映射到内核线程，透明调度 |
主流协程实现
Python协程（asyncio）
- 核心关键字：
async def定义协程函数，await挂起协程（等待I/O）； - 调度器：
asyncio事件循环（Event Loop），单线程内调度协程； - 限制：受GIL影响，单线程协程无法利用多核，需结合
multiprocessing。
Go goroutine
- 核心关键字：
go创建协程，无需手动写异步语法； - 调度模型：GPM（G-协程、P-逻辑处理器、M-内核线程），自动将协程映射到多核；
- 优势：语言内置，调度透明，支持千万级并发。
Java虚拟线程（Virtual Thread）
- 由JVM调度，而非操作系统；
- 虚拟线程挂载到平台线程（内核线程），I/O阻塞时自动让出平台线程，避免资源浪费；
- 兼容现有同步代码，无需改写为异步。
协程的调度流程（以Python asyncio为例）
- 定义协程函数（
async def）； - 创建事件循环（
asyncio.get_event_loop()）； - 将协程任务加入事件循环；
- 事件循环调度协程：遇到
await则挂起当前协程，执行其他就绪协程； - I/O完成后，协程被唤醒，继续执行；
- 所有任务完成，事件循环退出。
优缺点
| 优点 | 缺点 |
|---|---|
| 切换开销极致低 | 不适合CPU密集型任务（单线程串行） |
| 无锁同步（单线程） | 协作式调度，若协程死循环会阻塞线程 |
| 百万级并发支持 | 部分语言支持不完善（如Java 21前） |
| 代码可读性高（async/await） | 调试难度高于线程（用户态调度） |
典型应用
- 高并发I/O密集型任务（如API网关、爬虫、即时通讯服务器）；
- 微服务中的异步任务（如消息消费、定时任务）；
- 高吞吐网络服务（如Redis、Nginx的协程版）。
进程、线程、协程 核心对比表
| 维度 | 进程 | 线程 | 协程 |
|---|---|---|---|
| 资源分配单位 | 操作系统 | 无（共享进程资源） | 无（共享线程资源） |
| 调度单位 | 内核（抢占式） | 内核（抢占式） | 用户态（协作式） |
| 切换开销 | 极大（内存/页表切换） | 较大（内核态上下文） | 极小（用户态上下文） |
| 内存占用 | 高（MB级） | 中（KB级） | 极低（字节/KB级） |
| 并发规模 | 数十~数百 | 数千~上万 | 百万级 |
| 通信方式 | IPC（管道/共享内存） | 共享内存+锁 | 直接共享（单线程） |
| 稳定性 | 高（崩溃不扩散） | 中（线程崩溃致进程终止） | 中（协程崩溃致线程终止） |
| 多核利用 | 天然支持 | 天然支持（无GIL） | 需结合多线程/进程 |
| 典型场景 | 独立程序/计算密集 | 单进程内并发/I/O密集 | 超高并发I/O密集 |
选型建议
- CPU密集型任务：优先多进程（利用多核），如视频编码、大数据计算；
- 普通I/O密集型任务：多线程（开发成本低），如常规Web服务器；
- 超高并发I/O密集型任务：协程（如百万级网络连接），如直播服务器、爬虫；
- 跨平台/兼容性要求高：线程（成熟稳定）；
- Python场景：I/O密集用协程（asyncio），CPU密集用多进程（multiprocessing）。