程序(進程)、執行緒(線程)、協程,傻傻分得清楚!

要成為一個優秀的軟體工程師,進程(process)、線程(thread)是一定要搞懂與掌握的知識點,不僅是因為它們是電腦科學根本的知識,更是因為懂得在適當的時機善用它們,可以增進程式的執行效率,也就是提升效能。

在了解進程與線程之前,得先談談 program 這個東西,其實所謂的 program 就是工程師撰寫的程式碼的集合,例如 Line、 Chrome 就個別是 program,而他們的特點是還沒有被執行,因此也就還沒有被載入至記憶體中,而是存放在次級儲存裝置中。

Process 進程則是指被執行且載入記憶體的 program。Process 也是 OS 分配資源的最小單位,可以從 OS 得到如 CPU Time、Memory…等資源,意思是這個 process 在運行時會消耗多少 CPU 與記憶體。文章一開始放了一張 MacOS 活動監視器的截圖,相信不管是使用哪種作業系統的讀者都有看過類似的介面,而監視器中列出的是你的電腦正在執行的應用程式,而它們其實就是一個個 process,可以從圖片中看出每一個 process 消耗的 CPU、CPU 時間與每個 process 的獨立 ID (PID)。

  • 優點:每個進程有自己獨立的系統資源分配空間,不同進程之間的資源不共享,因此不需要特別對進程做互斥存取的處理。
  • 缺點:建立進程以及進程的上下文切換(Context Switch)都較消耗資源,進程間若有通訊的需求也較為複雜。

小結:程式 (Program)是寫好尚未執行的 code,程式被執行後才會變成進程 (Process)。

線程可以想像成存在於 process 裡面,而一個進程裡至少會有一個線程,前面有說 process 是 OS 分配資源的最小單位,而 thread 則是作業系統能夠進行運算排程的最小單位,也就是說實際執行任務的並不是進程,而是進程中的線程,一個進程有可能有多個線程,其中多個線程可以共用進程的系統資源,可以把進程比喻為一個工廠,線程則是工廠裡面的工人,負責任務的實際執行。

這兩個概念我想繼續利用工廠與工人的比喻會比較好理解與記憶。

Multiprocessing 好比建立許多工廠(通常會取 CPU 的數量),每個工廠中會分配ㄧ名員工(thread)執行工作,因此優勢在於同一時間內可以完成較多的事。

Multithreading 則是將許多員工聚集到同一個工廠內,它的優勢則是有機會讓相同的工作在比較短的時間內完成。

剛剛有提到在多執行緒中 (Multithreading),不同 thread 是可以共享資源的,而若兩個 thread 若同時存取或改變全域變數,可能會發生同步 (Synchronization) 問題。若執行緒之間互搶資源,則可能產生死結 (Deadlock),因此使用多線程時必須特別注意避免這些狀況發生。

圖片來源

這兩個是許多人容易誤解的概念,然而透過上面的圖就可以一目瞭然,Parallel 並行是利用多個 CPU 達到同時並行處理任務的需求(也就是同一個時間點有許多任務在同時執行),Concurrent 則是許多任務在爭搶同一個 CPU 的資源,因此一個時間點只會有一個任務正在執行,只是因為切換非常快,使用者通常不會感覺到任務實際上一直在切換。

大部分的文章討論的都是 process 與 thread 的概念,直到最近在學 golang,碰到了 goroutine,才知道原來還有 coroutine 協程的存在。

圖片來源

先講重點

協程是一種使用者態的輕量級執行緒,協程的排程完全由使用者控制。

可以想像進程中有線程,而線程中則又有協而協程的調度完全由用戶控制,協程也會有自己的 registers、context、stack 等等,並且由協程的調度器來控制目前由哪個協程執行,哪個協程要被 block 。process 及 thread 的調度,是由 CPU 內核去進行調度,而協程卻不ㄧ樣,OS 甚至不知道協程的存在,如果 coroutine 被卡住,則會在用戶端直接切換另外一個 coroutine 給此 thread 繼續執行,這樣其他 coroutine 就不會被block住,讓資源能夠有效的被利用,藉此實現 Concurrent 的概念。

相較於建立一個線程需要花費 MB 等級的記憶體,建立一個協程可以壓到 KB 等級,協程間的切換也絕對快於線程間的切換。

如果有興趣,真的非常推薦去學 Go 語言的 goroutine,相信你也會被它的強大給深深吸引的。

透過這篇文章快速帶過進程、線程、協程的概念,然而實際上要使用多進程、多線程開發時要考慮的因素真的很多,一不小心可能會造成上面提過的 race condition 或是性能不升反降的囧境,因此在使用上仍須經過謹慎考慮與效能驗證囉!

其實本篇文章所提及的進程與線程都是對岸的用語,為了避免讀者誤解,下面整理了一些台灣與對岸的名詞對照表:

process:

  • 台灣:程序、處理程序
  • 對岸:進程

thread:

  • 台灣:執行緒
  • 對岸:線程

concurrent:

  • 台灣:並行
  • 大陸:並發

parallel:

  • 台灣:平行
  • 大陸:並行

可以看到兩個地區對並行的定義是不一樣的,因此建議讀者已英文記比較不會搞混喔~

什麼都想學的雜食性軟體工程師 🇹🇼 (https://github.com/kylemocode) 合作與聯繫 📪 oldmo860617@gmail.com

什麼都想學的雜食性軟體工程師 🇹🇼 (https://github.com/kylemocode) 合作與聯繫 📪 oldmo860617@gmail.com