浅析Java的线程和Golang的协程

系统管理员 2022-11-12 02:33 292阅读 0赞

##### Java的多线程 #####

*  线程是程序执行中一个`单一的顺序控制流程`，是程序执行流的`最小单元`，是处理器调度和分派的基本单位。一个进程可以有一个或多个线程，Java的多线程是通过`JMM(共享内存模型)`来实现的。
 *  大部分的操作系统都是利用`时间片轮转的抢占式调度方式`，线程需要利用操作系统的调度算法在用户态和内核态来回切换，线程的切换是非常浪费资源的，所以Java的线程池在工作中才那么常用，也是面试中无法绕过的坎。
 *  程序一般不会直接去使用内核线程，而是去使用内核线程的一种高级接口——`轻量级进程（Lightweight Process，LWP）`，轻量级进程就是我们通常意义上所讲的线程，也被叫做用户线程。

##### 线程的实现模型 #####

*  一对一模型  
    ![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dhbmdjaGVuZ21pbmcx_size_16_color_FFFFFF_t_70]

一个用户线程对应一个内核线程，如果是多核的 CPU，那么线程之间是真正的并发。

缺点：

内核线程的数量有限，一对一模型使用的用户线程数量有限制。  
内核线程的调度，上下文切换的开销较大（虽然没有进程上下文切换的开销大），导致用户线程的执行效率下降。

*  多对一模型  
    ![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dhbmdjaGVuZ21pbmcx_size_16_color_FFFFFF_t_70 1]

多个用户线程映射到一个内核线程上，线程间的切换由用户态的代码来进行。用户线程的建立、同步、销毁都是在用户态中完成，不需要内核的介入。因此多对一的上下文切换速度快很多，且用户线程的数量几乎没有限制。

缺点：

若一个用户线程阻塞，其他所有线程都无法执行，此时内核线程处于阻塞状态。  
处理器数量的增加，不会对多对一模型的线程性能造成影响，因为所有的用户线程都映射到了一个处理器上。

*  多对多模型  
    ![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dhbmdjaGVuZ21pbmcx_size_16_color_FFFFFF_t_70 2]

结合了一对一模型和多对一模型的优点，多个用户线程映射到多个内核线程上，由线程库负责在可用的可调度实体上调度用户线程。这样线程间的上下文切换很快，因为它避免了系统调用。但是增加了系统的复杂性。

优点：

一个用户线程的阻塞不会导致所有线程的阻塞，因为此时还有别的内核线程被调度来执行；  
多对多模型对用户线程的数量没有限制；  
在多处理器的操作系统中，多对多模型的线程也能得到一定的性能提升，但提升的幅度不如一对一模型的高。

##### Java实现多线程 #####

在Java中创建线程的方式有很多种，那么就写一个平时工作中最常见的方式，也就是上面提到的线程池。

public ExecutorService asyncExecutor() {
            return new ThreadPoolExecutor(100, 200, 10,
                    TimeUnit.SECONDS, new LinkedBlockingQueue<>(100), new NamedThreadFactory(ASYNC_NAME + "-"));
        }

使用方法如下：

@Resource(name = "asyncExecutor")
        private ExecutorService executor;
    
    	executor.execute();

##### Golang的协程 #####

*  和Java不同的是协程不需要通过共享内存来通信，而是通过通信来共享内存。
 *  协程也并不是Golang提出来的，协程是一种编程思想，并不局限于特定的语言。Go、Python、Kotlin都可以在语言层面上实现协程，Java 也可以通过扩展库的方式间接支持协程。协程比线程更加轻量级，可以由程序员自己管理的轻量级线程，对内核不可见。
 *  Golang为构建并发程序的基本代码块是：协程 (goroutine) 与通道 (channel)。他们需要语言，编译器，和 runtime 的支持。

##### 协程的原理 #####

当出现IO阻塞的时候，由协程的调度器进行调度，通过将数据流立刻yield掉（主动让出），并且记录当前栈上的数据，阻塞完后立刻再通过线程恢复栈，并把阻塞的结果放到这个线程上去跑，这样看上去好像跟写同步代码没有任何差别，这整个流程可以称为coroutine，而跑在由coroutine负责调度的线程称为Fiber。比如Golang里的 go关键字其实就是负责开启一个Fiber，让func逻辑跑在上面。

由于协程的暂停完全由程序控制，发生在用户态上；而线程的阻塞状态是由操作系统内核来进行切换，发生在内核态上。  
因此，协程的开销远远小于线程的开销，也就没有了 ContextSwitch 上的开销。

假设程序中默认创建两个线程为协程使用，在主线程中创建协程ABCD…，分别存储在就绪队列中，调度器首先会分配一个工作线程A执行协程A，另外一个工作线程B执行协程B，其它创建的协程将会放在队列中进行排队等待。  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dhbmdjaGVuZ21pbmcx_size_16_color_FFFFFF_t_70 3]  
当协程A调用暂停方法或被阻塞时，协程A会进入到挂起队列，调度器会调用等待队列中的其它协程抢占线程A执行。当协程A被唤醒时，它需要重新进入到就绪队列中，通过调度器抢占线程，如果抢占成功，就继续执行协程A，失败则继续等待抢占线程。  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dhbmdjaGVuZ21pbmcx_size_16_color_FFFFFF_t_70 4]

##### 总结 #####

*  Java 在 Linux 操作系统下使用的是用户线程+轻量级线程，一个用户线程映射到一个内核线程，线程之间的切换就涉及到了上下文切换。所以在 Java 中并不适合创建大量的线程，否则效率会很低。
 *  对Java而言，操作系统会分配一块默认1M大小的栈，如果深度递归可能出现栈大小不足，但是如果一次性分配更大的内存又有可能出现浪费的现象；协程开始的时候也会分配一定大小的内存区域，一般只有2K，和线程的栈一样，协程的栈存储的也是局部变量，但是不同的是协程的栈的大小是不固定的，是可以根据需要自动调整大小的，最大甚至可以达到1G，所以灵活性非常好。
 *  上面也说到Java线程需要在用户态和内核态来回切换，这样子就会很浪费资源；但是协程只是用户态。
 *  协程适合于阻塞IO，对于CPU计算密集型的协程也不能很好解决。

本文只是从原理、应用场景来分析一下线程和协程的区别。

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