3、对于操作系统而言进程、线程以及Goroutine协程的区别

进程、线程、协程实际上都是为并发而生。

但是他们的各自的模样是完全不一致的，下面我们来分析一下他们各自的特点和关系。

本文不重点介绍什么是进程和线程，而是提炼进程、线程、协程干货。且是基于Linux下的进程、线程解释

一、进程内存

进程，可执行程序运行中形成一个独立的内存体，这个内存体有自己独立的地址空间(Linux会给每个进程分配一个虚拟内存空间32位操作系统为4G, 64位为很多T)，有自己的堆，上级挂靠单位是操作系统。操作系统会以进程为单位，分配系统资源（CPU时间片、内存等资源），进程是资源分配的最小单位。

3、对于操作系统而言进程、线程以及Goroutine协程的区别 - 图1

二、线程内存

线程，有时被称为轻量级进程(Lightweight Process，LWP），是操作系统调度（CPU调度）执行的最小单位。

3、对于操作系统而言进程、线程以及Goroutine协程的区别 - 图2

多个线程共同“寄生”在一个进程上，除了拥有各自的栈空间，其他的内存空间都是一起共享。所以由于这个特性，使得线程之间的内存关联性很大，互相通信就很简单(堆区、全局区等数据都共享，需要加锁机制即可完成同步通信)，但是同时也让线程之间生命体联系较大，比如一个线程出问题，到底进程问题，也就导致了其他线程问题。

三、执行单元

对于Linux来讲，不区分进程还是线程，他们都是一个单独的执行单位，CPU一视同仁，均分配时间片。

3、对于操作系统而言进程、线程以及Goroutine协程的区别 - 图3

所以，如果一个进程想更大程度的与其他进程抢占CPU的资源，那么多开线程是一个好的办法。

如上图，进程A没有开线程，那么默认就是1个线程，对于内核来讲，它只有1个执行单元,进程B开了3个线程，那么在内核中，该进程就占有3个执行单元。CPU的视野是只能看见内核的，它不知晓谁是进程和谁是线程，谁和谁是一家人。时间片轮询平均调度分配。那么进程B拥有的3个单元就有了资源供给的优势。

四、切换问题与协程

我们通过上述的描述，可以知道，线程越多，进程利用(或者)抢占的cpu资源就越高。 3、对于操作系统而言进程、线程以及Goroutine协程的区别 - 图4

那么是不是线程可以无限制的多呢？

答案当然不是的，我们知道，当我们cpu在内核态切换一个执行单元的时候，会有一个时间成本和性能开销 3、对于操作系统而言进程、线程以及Goroutine协程的区别 - 图5

其中性能开销至少会有两个开销

  • 切换内核栈

  • 切换硬件上下文

这两个切换，我们没必要太深入研究，可以理解为他所带来的后果和影响是

  • 保存寄存器中的内容

    将之前执行流程的状态保存。

  • CPU高速缓存失效

    页表查找是一个很慢的过程，因此通常使用Cache来缓存常用的地址映射，这样可以加速页表查找，这个cache就是TLB.当进程切换后页表也要进行切换，页表切换后TLB就失效了，cache失效导致命中率降低，那么虚拟地址转换为物理地址就会变慢，表现出来的就是程序运行会变慢。

综上，我们不能够大量的开辟，因为线程执行流程越多，cpu在切换的时间成本越大。很多编程语言就想了办法，既然我们不能左右和优化cpu切换线程的开销，那么，我们能否让cpu内核态不切换执行单元， 而是在用户态切换执行流程呢？

很显然，我们是没权限修改操作系统内核机制的，那么只能在用户态再来一个伪执行单元,那么就是协程了。

3、对于操作系统而言进程、线程以及Goroutine协程的区别 - 图6

五、协程的切换成本

协程切换比线程切换快主要有两点：

（1）协程切换完全在用户空间进行线程切换涉及特权模式切换，需要在内核空间完成；

（2）协程切换相比线程切换做的事情更少，线程需要有内核和用户态的切换,系统调用过程。

协程切换成本：

协程切换非常简单，就是把当前协程的 CPU 寄存器状态保存起来，然后将需要切换进来的协程的 CPU 寄存器状态加载的 CPU 寄存器上就 ok 了。而且完全在用户态进行，一般来说一次协程上下文切换最多就是几十ns 这个量级。

线程切换成本：

系统内核调度的对象是线程，因为线程是调度的基本单元（进程是资源拥有的基本单元，进程的切换需要做的事情更多，这里占时不讨论进程切换），而线程的调度只有拥有最高权限的内核空间才可以完成，所以线程的切换涉及到用户空间和内核空间的切换，也就是特权模式切换，然后需要操作系统调度模块完成线程调度（task*struct），*而且除了和协程相同基本的 CPU 上下文，还有线程私有的栈和寄存器等，说白了就是上下文比协程多一些，其实简单比较下 task_strcut 和 任何一个协程库的 coroutine 的 struct 结构体大小就能明显区分出来。而且特权模式切换的开销确实不小，随便搜一组测试数据 [3]，随便算算都比协程切换开销大很多。

进程占用多少内存

4g

线程占用多少内存

线程跟不同的操作系统版本有有差异

  1. $ulimit -s
  2. 8192

单位kb

但线程基本都是维持Mb的量级单位，一般是4~64Mb不等， 多数维持约10M上下

协程占用多少内存

测试环境

  1. $ more /proc/cpuinfo | grep "model name"
  2. model name    : Intel(R) Core(TM) i7-5775R CPU @ 3.30GHz
  3. model name    : Intel(R) Core(TM) i7-5775R CPU @ 3.30GHz
  5. (2个CPU )
  7. $ grep MemTotal /proc/meminfo
  8. MemTotal:        2017516 kB
  10. (2G内存)
  12. $ getconf LONG_BIT
  13. 64
  15. (64位操作系统)
  17. $ uname -a
  18. Linux ubuntu 4.15.0-91-generic #92-Ubuntu SMP Fri Feb 28 11:09:48 UTC 2020 x86_64 x86_64 x86_64 GNU/Linux

测试程序

  1. package main
  3. import (
  5.     "time"
  6. )
  8. func main() {
  10.     for i := 0; i < 200000; i++ {
  12.         go func() {
  14.             time.Sleep(5 * time.Second)
  16.         }()
  18.     }
  20.     time.Sleep(10 * time.Second)
  21. }

程序运行前

  1. top - 00:16:24 up  7:08,  1 user,  load average: 0.08, 0.03, 0.01
  2. 任务: 288 total,   1 running, 218 sleeping,   0 stopped,   0 zombie
  3. %Cpu0  :  0.0 us,  0.0 sy,  0.0 ni,100.0 id,  0.0 wa,  0.0 hi,  0.0 si,  0.0 st
  4. %Cpu1  :  0.3 us,  0.3 sy,  0.0 ni, 99.3 id,  0.0 wa,  0.0 hi,  0.0 si,  0.0 st
  5. KiB Mem :  2017516 total,   593836 free,  1163524 used,   260156 buff/cache
  6. KiB Swap:   969960 total,   574184 free,   395776 used.   679520 avail Mem

free的mem为1163524，

程序运行中

  1. top - 00:17:12 up  7:09,  1 user,  load average: 0.04, 0.02, 0.00
  2. 任务: 290 total,   1 running, 220 sleeping,   0 stopped,   0 zombie
  3. %Cpu0  :  4.0 us,  1.0 sy,  0.0 ni, 95.0 id,  0.0 wa,  0.0 hi,  0.0 si,  0.0 st
  4. %Cpu1  :  8.8 us,  1.4 sy,  0.0 ni, 89.9 id,  0.0 wa,  0.0 hi,  0.0 si,  0.0 st
  5. KiB Mem :  2017516 total,    89048 free,  1675844 used,   252624 buff/cache
  6. KiB Swap:   969960 total,   563688 free,   406272 used.   168812 avail Mem

free的mem为1675844，

所以20万个协程占用了约 50万KB**平均一个协程占用约2.5KB**

那么，go的协程切换成本如此小，占用也那么小，是否可以无限开辟呢？