协程和线程的区别、协程原理与优缺点分析、在Java中使用协程
文章目录
- 什么是协程
- 协程的优点与缺点
- 协程实现原理.
- 协程与线程在不同编程语言的实现
- 在Java中使用协程
- Kilim介绍
- Kilim整合Java,使用举例
- 小总结
什么是协程
相对于协程，你可能对进程和线程更为熟悉。进程一般代表一个应用服务，在一个应用服务中可以创建多个线程，而协程是一个轻量级线程,我们知道线程是CPU调度的基本单位,也就是说它是由CPU进行调度的,而协程的调度由用户空间中其专属的调度器控制的,这是一个很大的不同.我们可以在一个主线程里面轻松创建多个协程。
上面提到的协程专属的调度器其实就是程序员自己写的一个东西,不属于操作系统的,只是用来调度协程的,但是协程的执行其实还是由线程执行的,协程可以认为是运行在线程上的代码块.
这里举个例子假如人就是一个线程,那么协程就是具体的做某一件事情,一个人可以并发的做好几件事情,比如说可以同时煮饭,热水,听歌等等,这些事情可能我们就只需要偶尔操作一下,不需要完全占用我们的时间,就类似于我们的IO密集型任务,比较适合协程来做. 而其他的任务,比如说跑步,需要一直占用我们的时间,类似于CPU密集型任务,就不适合协程来做.
在对协程进行调度时,可以通过暂停或者阻塞的方式将协程的执行挂起，而其它协程可以继续执行。这里的挂起只是在程序中（用户态）的挂起，同时将代码执行权转让给其它协程使用，待获取执行权的协程执行完成之后，将从挂起点唤醒挂起的协程 协程的挂起和唤醒是通过一个调度器来完成的。
协程的优点与缺点
优点:
- 协程是轻量级线程,全部都在用户态,因此系统消耗资源非常低,非常高效.不像线程一样是内核线程,由cpu调度,造成上下文切换,浪费资源.
- 线程实现数据共享的方式是共享内存,而协程是通信,这就避免了线程安全的问题,避免了锁竞争.
缺点:
- 系统是察觉不到协程的存在的，所以只有一个处理器内核会被分配给该进程 ，也就不能发挥多核 CPU 的优势,所以协程适用于I/O 阻塞型场景.不适用于cpu密集型.
协程实现原理.
这里还是对比着线程来说.
线程是被内核所调度,线程被调度切换到另一个线程上下文的时候,需要保存一个用户线程的状态到内存(切出),恢复另一个线程状态到寄存器(切入),然后更新调度器的数据结构,这几步操作涉及到用户态到内核态的切换,开销比较多.
那协程是怎样被调度?被执行的呢?
它其实是完全在用户空间实现了自己的一套调度器,上下文存储,以及任务载体等等这些,相当于我直接在用户空间就能完成程序的调度与切换,完全没有内核切换的开销.
协程的执行其实还是依靠线程来执行的.所以,同一时间, 在多核处理器的环境下, 多个线程是可以并行的，但是运行的协程的函数却只能有一个，其他的协程的函数都被suspend, 即协程是并发的.
协程与线程在不同编程语言的实现
Go语言最近非常火,国内很多互联网公司开始使用或转型 Go 语言，其中一个很重要的原因就是 Go 语言优越的性能表现，而这个优势与 Go 实现的轻量级线程 Goroutines（协程 Coroutine）不无关系.
Golang 在语言层面实现了对协程的支持，Goroutine 是协程在 Go 语言中的实现， 在 Go 语言中每一个并发的执行单元叫作一个 Goroutine ，Go 程序可以轻松创建成百上千个协程并发执行。
JDK 1.8 Thread.java 中 Thread#start 方法的实现，实际上是通过 Native 调用 start0 方法实现的；在 Linux 下， JVM Thread 的实现是基于 pthread_create 实现的，而 pthread_create 实际上是调用了 clone() 完成系统调用创建线程的。也就是创建的是内核线程.目前 Java 原生语言暂时还不支持协程.
在Java中使用协程
Kilim介绍
虽然目前 Java 原生语言暂时还不支持协程。不过也不用泄气，我们可以通过协程框架在 Java 中使用协程。
目前 Kilim 协程框架在 Java 中应用得比较多，通过这个框架，开发人员就可以低成本地在 Java 中使用协程了。
Kilim 框架包含了四个核心组件，分别为：任务载体（Task）、任务上下文（Fiber）、任务调度器（Scheduler）以及通信载体（Mailbox）。
任务载体Task:
Task对象主要用来执行业务逻辑,我们可以把这个比作多线程的Thread,与Thread类似,Task中也有一个run方法,不过在Task中方法名为execute,我们可以将协程里面要做的业务逻辑操作写在execute方法中.
与 Thread 实现的线程一样，Task 实现的协程也有状态，包括：Ready、Running、Pausing、Paused 以及 Done 总共五种。Task 对象被创建后，处于 Ready 状态，在调用 execute() 方法后，协程处于 Running 状态，在运行期间，协程可以被暂停，暂停中的状态为 Pausing，暂停后的状态为 Paused，暂停后的协程可以被再次唤醒。协程正常结束后的状态为 Done。
任务上下文Fiber:
Fiber 对象与 Java 的线程栈类似，主要用来维护 Task 的执行堆栈，对于实现协程切换很关键.
任务调度器Scheduler:
Scheduler是实现协程的核心调度器,Scheduler负责分派Task给指定的工作者线程执行,工作者线程默认初始化个数为机器的CPU个数.
邮箱Mailbox:
Mailbox对象类似一个邮箱,协程之间可以依靠邮箱来进行通信和数据共享,这里和线程是很大的区别,因为线程是共享内存来实现
Kilim整合Java,使用举例
这里我们实现一个简单的生产者和消费者的案例.
- 引入maven
org.db4j kilim 2.0.1-jdk7 - 代码实现
消费者:
public class Consumer extends Task生产者:
public class Producer extends Task主类:
public class Coroutine {static Map> mailMap = new HashMap>();public static void main(String[] args) {if (kilim.tools.Kilim.trampoline(false,args)) return;Properties propes = new Properties();propes.setProperty("kilim.Scheduler.numThreads", "4");System.setProperties(propes);long startTime = System.currentTimeMillis();//创建一千个协程生产者发送消息for (int i = 0; i < 1000; i++) {Mailbox mb = new Mailbox(1, 10);new Producer(i, mb).start();mailMap.put(i, mb);}//创建一千个协程消费者消费消息for (int i = 0; i < 1000; i++) {new Consumer(mailMap.get(i)).start();}Task.idledown();long endTime = System.currentTimeMillis();System.out.println( Thread.currentThread().getName() + "总计花费时长：" + (endTime- startTime));}}
运行结果:
可以看到运行时间还是很短的,这里我们用Java线程实现类似的功能,看看性能差异.
代码如下:
public class ThreadTest {private static Integer count = 0;private static final Integer FULL = 10;private static String LOCK = "lock";private static CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(2000);public static void main(String[] args) {ThreadTest test1 = new ThreadTest();long start = System.currentTimeMillis();List list = new ArrayList();//创建1000个生产者,每个生产者每次生产10个产品for (int i = 0; i < 1000; i++) {Thread thread = new Thread(test1.new Producer());thread.start();list.add(thread);}//创建1000个消费者,每个消费者每次生产消费个产品for (int i = 0; i < 1000; i++) {Thread thread = new Thread(test1.new Consumer());thread.start();list.add(thread);}try {//等待所有的线程运行完毕countDownLatch.await();} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}long end = System.currentTimeMillis();System.out.println("子线程执行时长：" + (end - start));}class Producer implements Runnable {public void run() {for (int i = 0; i < 10; i++) {//因为是共享内存,所以这里需要加锁,确保线程安全synchronized (LOCK) {while (count == FULL) {try {LOCK.wait();} catch (Exception e) {e.printStackTrace();}}count++;System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "生产者生产，目前总共有" + count);LOCK.notifyAll();}}countDownLatch.countDown();}}class Consumer implements Runnable {public void run() {for (int i = 0; i < 10; i++) {synchronized (LOCK) {while (count == 0) {try {LOCK.wait();} catch (Exception e) {}}count--;System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "消费者消费，目前总共有" + count);LOCK.notifyAll();}}countDownLatch.countDown();}}
} 运行结果:
可以看到协程花费400,线程花费1300,差距还是蛮大的.
小总结
协程和线程密切相关，协程可以认为是运行在线程上的代码块，协程提供的挂起操作会使协程暂停执行，而不会导致线程阻塞。
协程又是一种轻量级资源，即使创建了上千个协程，对于系统来说也不是很大的负担，但如果在程序中创建上千个线程，那系统可真就压力山大了。
可以说，协程的设计方式极大地提高了线程的使用率。通过今天的学习，当其他人侃侃而谈 Go 语言在网络编程中的优势时，相信你不会一头雾水。学习 Java 的我们也不要觉得，协程离我们很遥远了。
协程是一种设计思想，不仅仅局限于某一门语言，况且 Java 已经可以借助协程框架实现协程了。但话说回来，协程还是在 Go 语言中的应用较为成熟，在 Java 中的协程目前还不是很稳定，重点是缺乏大型项目的验证，可以说 Java 的协程设计还有很长的路要走。
今天的分享就到这里了,有问题可以在评论区留言,均会及时回复呀.
我是bling,未来不会太差,只要我们不要太懒就行, 咱们下期见.
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