面试高频问题之协程

亦凉 2023-07-22 03:47 12阅读 0赞

首先复习一下什么是进程和线程：

### 1 进程 ###

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
 *  进程是**操作系统进行资源分配和调度的基本单位**
 *  进程有五种状态：创建、就绪、阻塞、运行、关闭，五种状态的转换关系图为：

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzI2ODIyMDI5_size_16_color_FFFFFF_t_70][]

### 2 线程 ###

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
 *  它可与同属一个进程的其他的线程**共享**进程所拥有的全部资源
 *  **线程是最小的执行单元**
 *  无论进程还是线程，都是由操作系统所管理的

### 3 进程和线程的关系 ###

线程是进程的一部分，一个线程只能属于一个进程，而一个进程可以有多个线程，至少包含一个主线程。

线程和进程的关系如下图所示：

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzI2ODIyMDI5_size_16_color_FFFFFF_t_70 1][]

\*图片 来自网络

### 4 携程协程 ###

**协程，英文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，一个线程也可以拥有多个协程。

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzI2ODIyMDI5_size_16_color_FFFFFF_t_70 2][]

**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**。

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。

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。

### 5 协程和进程/线程的对比 ###

*  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。
 *  协程与进程一样，是存在上下文切换问题的。
 *  协程是完全由程序控制的，不是由操作系统内核所管理的。

### 6 利用Python中的yield理解协程 ###

\*下面的内容来自\[3\]

Python对协程的支持还非常有限，用在generator中的yield可以一定程度上实现协程。虽然支持不完全，但已经可以发挥相当大的威力了。

传统的生产者-消费者模型是一个线程写消息，一个线程取消息，通过锁机制控制队列和等待，但一不小心就可能死锁。如果改用协程，生产者生产消息后，直接通过yield跳转到消费者开始执行，待消费者执行完毕后，切换回生产者继续生产，效率极高：

import time
    
    def consumer():
        r = ''
        while True:
            n = yield r
            if not n:
                return
            print('[CONSUMER] Consuming %s...' % n)
            time.sleep(1)
            r = '200 OK'
    
    def produce(c):
        c.next()
        n = 0
        while n < 5:
            n = n + 1
            print('[PRODUCER] Producing %s...' % n)
            r = c.send(n)
            print('[PRODUCER] Consumer return: %s' % r)
        c.close()
    
    if __name__=='__main__':
        c = consumer()
        produce(c)

上面的代码执行结果为：

[PRODUCER] Producing 1...
    [CONSUMER] Consuming 1...
    [PRODUCER] Consumer return: 200 OK
    [PRODUCER] Producing 2...
    [CONSUMER] Consuming 2...
    [PRODUCER] Consumer return: 200 OK
    [PRODUCER] Producing 3...
    [CONSUMER] Consuming 3...
    [PRODUCER] Consumer return: 200 OK
    [PRODUCER] Producing 4...
    [CONSUMER] Consuming 4...
    [PRODUCER] Consumer return: 200 OK
    [PRODUCER] Producing 5...
    [CONSUMER] Consuming 5...
    [PRODUCER] Consumer return: 200 OK

注意到consumer函数是一个generator（生成器），把一个consumer传入produce后：

1.  首先调用c.next()启动生成器；
2.  然后，一旦生产了东西，通过c.send(n)切换到consumer执行；
3.  consumer通过yield拿到消息，处理，又通过yield把结果传回；
4.  produce拿到consumer处理的结果，继续生产下一条消息；
5.  produce决定不生产了，通过c.close()关闭consumer，整个过程结束。

整个流程无锁，由一个线程执行，produce和consumer协作完成任务，所以称为“协程”，而非线程的抢占式多任务。

References：

1. [https://blog.csdn.net/zheng199172/article/details/88800275][https_blog.csdn.net_zheng199172_article_details_88800275]

2. [https://baike.baidu.com/item/%E5%8D%8F%E7%A8%8B/8652240][https_baike.baidu.com_item_E5_8D_8F_E7_A8_8B_8652240]

3. [https://www.liaoxuefeng.com/wiki/897692888725344/923057403198272][https_www.liaoxuefeng.com_wiki_897692888725344_923057403198272]

4. [https://www.jianshu.com/p/6dde7f92951e][https_www.jianshu.com_p_6dde7f92951e]

[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzI2ODIyMDI5_size_16_color_FFFFFF_t_70]: /images/20230528/9a60338e79214405b6d4dd580224f0b6.png
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzI2ODIyMDI5_size_16_color_FFFFFF_t_70 1]: /images/20230528/735ad9a814e741abbc6753a34b4dfa7f.png
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzI2ODIyMDI5_size_16_color_FFFFFF_t_70 2]: /images/20230528/f55c7b194467435da490a865f6890b3a.png
[https_blog.csdn.net_zheng199172_article_details_88800275]: https://blog.csdn.net/zheng199172/article/details/88800275
[https_baike.baidu.com_item_E5_8D_8F_E7_A8_8B_8652240]: https://baike.baidu.com/item/%E5%8D%8F%E7%A8%8B/8652240?fr=aladdin
[https_www.liaoxuefeng.com_wiki_897692888725344_923057403198272]: https://www.liaoxuefeng.com/wiki/897692888725344/923057403198272
[https_www.jianshu.com_p_6dde7f92951e]: https://www.jianshu.com/p/6dde7f92951e