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关于java:深入分析-JavaKotlinGo-的线程和协程

jiezi

  • 前言

    • 协程是什么
    • 协程的益处

  • 过程

    • 过程是什么
    • 过程组成
    • 过程特色

  • 线程

    • 线程是什么
    • 线程组成
    • 任务调度
    • 过程与线程的区别

    • 线程的实现模型

      • 一对一模型
      • 多对一模型
      • 多对多模型
    • 线程的“并发”

  • 协程

    • 协程的目标
    • 协程的特点
    • 协程的原理

  • Java、Kotlin、Go 的线程与协程

    • Kotlin 的协程

      • 应用「线程」的代码
      • 应用「协程」的代码
    • Go 的协程
    • Java 的 Kilim 协程框架

    • Java 的 Project Loom

      • 应用 Fiber
  • 总结
  • 参考资料

前言

Go 语言比 Java 语言性能优越的一个起因，就是轻量级线程Goroutines（协程 Coroutine）。本篇文章深入分析下 Java 的线程和 Go 的协程。

协程是什么

协程并不是 Go 提出来的新概念，其余的一些编程语言，例如：Go、Python 等都能够在语言层面上实现协程，甚至是 Java，也能够通过应用扩大库来间接地反对协程。

当在网上搜寻协程时，咱们会看到：

  • Kotlin 官网文档说「实质上，协程是轻量级的线程」。
  • 很多博客提到「不须要从用户态切换到内核态」、「是合作式的」等等。

「协程 Coroutines」源自 Simula 和 Modula-2 语言，这个术语早在 1958 年就被 Melvin Edward Conway 创造并用于构建汇编程序，阐明协程是一种编程思维，并不局限于特定的语言。

协程的益处

性能比 Java 好很多，甚至代码实现都比 Java 要简洁很多。

那这到底又是为什么呢？上面一一剖析。

阐明：上面对于过程和线程的局部，简直齐全参考自：https://www.cnblogs.com/Survi…，这篇文章写得太好了~~~

过程

过程是什么

计算机的外围是 CPU，执行所有的计算工作；操作系统负责工作的调度、资源的调配和治理；应用程序是具备某种性能的程序，程序是运行在操作系统上的。

过程是一个具备肯定独立性能的程序在一个数据集上的一次动静执行的过程，是操作系统进行资源分配和调度的一个独立单位，是利用程序运行的载体。

过程组成

过程由三局部组成：

  • 程序：形容过程要实现的性能，是管制过程执行的指令集。
  • 数据汇合：程序在执行时所须要的数据和工作区。
  • 过程管制块：(Program Control Block，简称 PCB)，蕴含过程的形容信息和管制信息，是过程存在的惟一标记。

过程特色

  • 动态性：过程是程序的一次执行过程，是长期的，有生命期的，是动静产生，动静沦亡的。
  • 并发性：任何过程都能够同其余过程一起并发执行。
  • 独立性：过程是零碎进行资源分配和调度的一个独立单位。
  • 结构性：过程由程序、数据和过程管制块三局部组成。

线程

线程是什么

线程是程序执行中一个繁多的 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根本单位 。一个过程能够有一个或多个线程，各个线程之间 共享程序的内存空间(也就是所在过程的内存空间)。

线程组成

  • 线程 ID、以后指令指针(PC)
  • 寄存器
  • 堆栈

任务调度

大部分操作系统 (如 Windows、Linux) 的任务调度是采纳 工夫片轮转的抢占式调度形式。

在一个过程中，当一个线程工作执行几毫秒后，会由操作系统的内核（负责管理各个工作）进行调度，通过硬件的计数器中断处理器，让该线程强制暂停并将该线程的寄存器放入内存中，通过查看线程列表决定接下来执行哪一个线程，并从内存中复原该线程的寄存器，最初复原该线程的执行，从而去执行下一个工作。

过程与线程的区别

  • 线程是程序执行的最小单位，而过程是操作系统分配资源的最小单位；
  • 一个过程由一个或多个线程组成，线程是一个过程中代码的不同执行路线；
  • 过程之间互相独立，但同一过程下的各个线程之间共享程序的内存空间 (包含代码段、数据集、堆等) 及一些过程级的资源(如关上文件和信号)，某过程内的线程在其它过程不可见；
  • 调度和切换：线程上下文切换 比过程上下文切换 要快 得多。

线程的实现模型

程序个别不会间接去应用内核线程，而是去应用内核线程的一种高级接口——轻量级过程（Lightweight Process，LWP），轻量级过程就是咱们通常意义上所讲的线程，也被叫做用户线程。

一对一模型

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。

毛病：

  • 内核线程的数量无限，一对一模型应用的用户线程数量有限度。
  • 内核线程的调度，上下文切换的开销较大（尽管没有过程上下文切换的开销大），导致用户线程的执行效率降落。

多对一模型

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。用户线程的建设、同步、销毁都是在用户态中实现，不须要内核的染指。因而多对一的上下文切换速度快很多，且用户线程的数量简直没有限度。

毛病：

  • 若一个用户线程阻塞，其余所有线程都无奈执行，此时内核线程处于阻塞状态。
  • 处理器数量的减少，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

联合了 一对一模型 和多对一 模型的长处，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，因为它防止了零碎调用。然而减少了零碎的复杂性。

长处：

  • 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度；
  • 在多处理器的操作系统中，多对多模型的线程也能失去肯定的性能晋升，但晋升的幅度不如一对一模型的高。

线程的“并发”

只有在线程的数量 < 处理器的数量时，线程的并发才是真正的并发，这时不同的线程运行在不同的处理器上。然而当线程的数量 > 处理器的数量时，会呈现一个处理器运行多个线程的状况。

在单个处理器运行多个线程时，并发是一种模仿进去的状态。操作系统采纳工夫片轮转的形式轮流执行每一个线程。当初，简直所有的古代操作系统采纳的都是工夫片轮转的抢占式调度形式。

协程

当在网上搜寻协程时，咱们会看到：

  • 实质上，协程是轻量级的线程。
  • 很多博客提到「不须要从用户态切换到内核态」、「是合作式的」。

协程也并不是 Go 提出来的，协程是一种编程思维，并不局限于特定的语言。Go、Python、Kotlin 都能够在语言层面上实现协程，Java 也能够通过扩大库的形式间接反对协程。

协程比线程更加轻量级，能够由程序员本人治理的轻量级线程，对内核不可见。

协程的目标

在传统的 J2EE 零碎中都是基于每个申请占用一个线程去实现残缺的业务逻辑（包含事务）。所以零碎的吞吐能力取决于每个线程的操作耗时。如果遇到很耗时的 I/O 行为，则整个零碎的吞吐立即降落，因为这个时候线程始终处于阻塞状态，如果线程很多的时候，会存在很多线程处于闲暇状态（期待该线程执行完能力执行），造成了资源利用不彻底。

最常见的例子就是 JDBC（它是同步阻塞的），这也是为什么很多人都说数据库是瓶颈的起因。这里的耗时其实是让 CPU 始终在期待 I/O 返回，说白了线程基本没有利用 CPU 去做运算，而是处于空转状态。而另外过多的线程，也会带来更多的 ContextSwitch 开销。

对于上述问题，现阶段行业里的比拟风行的解决方案之一就是单线程加上异步回调。其代表派是 node.js 以及 Java 里的新秀 Vert.x。

而协程的目标就是当呈现长时间的 I/O 操作时，通过让出目前的协程调度，执行下一个工作的形式，来打消 ContextSwitch 上的开销。

协程的特点

  • 线程的切换由操作系统负责调度，协程由用户本人进行调度，缩小了上下文切换，进步了效率
  • 线程的默认 Stack 是 1M，协程更加轻量，是 1K，在雷同内存中能够开启更多的协程。
  • 因为在同一个线程上，因而能够 防止竞争关系 而应用锁。
  • 实用于 被阻塞的，且须要大量并发的场景。但不适用于大量计算的多线程，遇到此种状况，更好用线程去解决。

协程的原理

当呈现 IO 阻塞的时候，由协程的调度器进行调度，通过将数据流立即 yield 掉（被动让出），并且记录以后栈上的数据，阻塞完后立即再通过线程复原栈，并把阻塞的后果放到这个线程下来跑，这样看上去如同跟写同步代码没有任何差异，这整个流程能够称为coroutine，而跑在由 coroutine 负责调度的线程称为Fiber。比方 Golang 里的 go 关键字其实就是负责开启一个Fiber，让 func 逻辑跑在下面。

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

假如程序中默认创立两个线程为协程应用，在主线程中创立协程 ABCD…，别离存储在就绪队列中，调度器首先会调配一个工作线程 A 执行协程 A，另外一个工作线程 B 执行协程 B，其它创立的协程将会放在队列中进行排队期待。

当协程 A 调用暂停办法或被阻塞时，协程 A 会进入到挂起队列，调度器会调用期待队列中的其它协程抢占线程 A 执行。当协程 A 被唤醒时，它须要从新进入到就绪队列中，通过调度器抢占线程，如果抢占胜利，就继续执行协程 A，失败则持续期待抢占线程。

Java、Kotlin、Go 的线程与协程

Java 在 Linux 操作系统下应用的是用户线程 + 轻量级线程，一个用户线程映射到一个内核线程，线程之间的切换就波及到了上下文切换。所以在 Java 中并不适宜创立大量的线程，否则效率会很低。能够先看下 Kotlin 和 Go 的协程：

Kotlin 的协程

Kotlin 在诞生之初，指标就是齐全兼容 Java，却是一门十分求实的语言，其中一个个性，就是反对协程。

然而 Kotlin 最终还是运行在 JVM 中的，目前的 JVM 并不反对协程，Kotlin 作为一门编程语言，也只是能在语言层面反对协程。Kotlin 的协程是用于异步编程等场景的，在语言级提供协程反对，而将大部分性能委托给库。

应用「线程」的代码

@Test
fun testThread() {
    // 执行工夫 1min+
    val c = AtomicLong()
    for (i in 1..1_000_000L)
        thread(start = true) {c.addAndGet(i)
        }
    println(c.get())
}

上述代码创立了 100 万个线程，在每个线程里仅仅调用了 add 操作，然而因为创立线程太多，这个测试用例在我的机器上要跑 1 分钟左右。

应用「协程」的代码

@Test
fun testLaunch() {val c = AtomicLong()
    runBlocking {for (i in 1..1_000_000L)
            launch {c.addAndGet(workload(i))
            }
    }
    print(c.get())
}

suspend fun workload(n: Long): Long {delay(1000)
    return n
}

这段代码是创立了 100 万个协程，测试用例在我的机器上执行工夫大略是 10 秒钟。而且这段代码的每个协程都 delay 了 1 秒钟，执行效率依然远远高于线程。

具体的语法能够查看 Kotlin 的官方网站：https://www.kotlincn.net/docs…

其中关键字 launch 是开启了一个协程，关键字 suspend 是挂起一个协程，而不会阻塞。当初在看这个流程，应该就懂了~

Go 的协程

官网例程：https://gobyexample-cn.github…

go 语言层面并 不反对多过程或多线程，然而协程更好用，协程被称为用户态线程，不存在 CPU 上下文切换问题，效率十分高。上面是一个简略的协程演示代码：

package main

func main() {go say("Hello World")
}

func say(s string) {println(s)
}

Java 的 Kilim 协程框架

目前 Java 原生语言临时不反对协程，能够应用 kilim，具体原理能够看官网文档，临时还没有钻研~

Java 的 Project Loom

Java 也在逐渐反对协程，其我的项目就是 Project Loom(https://openjdk.java.net/proj…。这个我的项目在 18 年底的时候曾经达到可初步演示的原型阶段。不同于之前的计划，Project Loom 是从 JVM 层面对多线程技术进行彻底的扭转。

官网介绍：
http://cr.openjdk.java.net/~r…

其中一段介绍了为什么引入这个我的项目：

One of Java's most important contributions when it was first released, over twenty years ago, was the easy access to threads and synchronization primitives. Java threads (either used directly, or indirectly through, for example, Java servlets processing HTTP requests) provided a relatively simple abstraction for writing concurrent applications. These days, however, one of the main difficulties in writing concurrent programs that meet today's requirements is that the software unit of concurrency offered by the runtime — the thread — cannot match the scale of the domain's unit of concurrency, be it a user, a transaction or even a single operation. Even if the unit of application concurrency is coarse — say, a session, represented by single socket connection — a server can handle upward of a million concurrent open sockets, yet the Java runtime, which uses the operating system's threads for its implementation of Java threads, cannot efficiently handle more than a few thousand. A mismatch in several orders of magnitude has a big impact.

文章粗心就是本文下面所说的，Java 的用户线程与内核线程是一对一的关系，一个 Java 过程很难创立上千个线程，如果是对于 I/O 阻塞的程序（例如数据库读取 /Web 服务），性能会很低下，所以要采纳相似于协程的机制。

应用 Fiber

在引入 Project Loom 之后，JDK 将引入一个新类：java.lang.Fiber。此类与 java.lang.Thread 一起，都成为了 java.lang.Strand 的子类。即线程变成了一个虚构的概念，有两种实现办法：Fiber 所示意的轻量线程和 Thread 所示意的传统的重量级线程。

Fiber f = Fiber.schedule(() -> {println("Hello 1");
  lock.lock(); // 期待锁不会挂起线程
  try {println("Hello 2");
  } finally {lock.unlock();
  }
  println("Hello 3");
})

只需执行 Fiber.schedule(Runnable task) 就能在 Fiber 中执行工作。最重要的是，下面例子中的 lock.lock() 操作将不再挂起底层线程。除了 Lock 不再挂起线程 以外，像 Socket BIO 操作也不再挂起线程。但 synchronized，以及 Native 办法中线程挂起操作无奈防止。

总结

协程大法好，比线程更轻量级，然而仅针对 I/O 阻塞才无效；对于 CPU 密集型的利用，因为 CPU 始终都在计算并没有什么闲暇，所以没有什么作用。

Kotlin 兼容 Java，在编译器、语言层面实现了协程，JVM 底层并不反对协程；Go 天生就是反对协程的，不反对多过程和多线程。Java 的 Project Loom 我的项目反对协程，

参考资料

  • 极客工夫 -Java 性能调优实战 /19. 如何用协程来优化多线程业务？
  • https://www.cnblogs.com/Survi…
  • https://www.jianshu.com/p/5db…

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