【并发编程】进程 & 线程 & 协程

进程（Process）、线程（Thread）和协程（Coroutine）构成了计算机科学中实现任务并发执行的三种核心抽象机制。通常，为了提高程序的执行效率，开发者会根据应用场景和性能需求，选择相应的并发策略：

• 多进程（Multiprocessing）：通过创建多个独立的进程，实现任务的并行处理。在这种策略中，每个进程拥有独立的内存空间，其适用于需要隔离性和独立资源分配的应用程序。

• 多线程（Multithreading）：在单个进程的上下文中，启动多个线程来同时处理多个任务。在这种策略中，线程间共享内存空间，其适合于提高应用程序的并发性和响应性。

• 多协程（Coroutine multitasking）：在单个线程的执行流中，通过协程来实现多个任务的协作式调度。

进程（Process）

进程是操作系统进行资源分配和调度的基本单位，每个进程都有独立的内存空间。由于进程的重量级特性，它们在内存中占据独立的位置，因此进程间上下文切换涉及的开销较大，包括栈、寄存器状态、虚拟内存以及文件句柄等的保存与加载，但是进程具有较好的隔离性和稳定性。

• 优点：进程能够利用多核CPU进行真正的并行运算，增强计算能力
• 缺点：相比线程与协程，进程占用较多系统资源，创建和销毁成本高，可同时运行的进程数量少
• 适用场景：CPU-bound任务

线程（Thread）

线程，作为轻量级进程，是构成进程的基本执行单元，同时也是操作系统进行CPU调度的最小单位。每个线程都拥有独立的程序计数器、一组寄存器和自己的调用栈，确保了执行的独立性。与此同时，线程能够与同一进程中的其他线程共享进程资源，如内存空间、文件句柄和其他同步机制。

• 优点：相比进程，创建和切换开销较小，占用资源相对较少
• 缺点：
  • 相比进程：在Python等语言中，全局解释器锁（GIL）限制了多线程的多核并行能力
  • 相比协程：线程带来资源消耗和上下文切换成本，高并发时管理更复杂
• 适用场景：并发数目少的I/O-bound任务

协程（Coroutine）

协程，也称为用户态线程，是一种在用户空间实现的轻量级执行单元。与线程相比，协程拥有更低的资源消耗和上下文切换开销。协程拥有自己的寄存器上下文和栈，其调度完全由用户控制，而非操作系统。在协程切换时，上下文和栈的保存与恢复操作在用户空间完成，避免了昂贵的内核态切换开销。

• 优点：协程因其避免线程切换开销而提高了效率，简化了共享资源控制，且无需锁机制
• 缺点：协程虽性能优越，但应用可能受限于库支持和实现复杂性
• 适用场景：并发数目多的I/O-bound任务

联系 & 区别

• 层级关系：1个进程中可以启动N个线程，1个线程中可以启动N个协程
• 执行特性：线程可以并行执行，但线程内的协程是串行执行的，不能同时在多核上运行
• 调度控制：操作系统自动调度进程和线程，用户显式控制协程调度，实现更灵活的管理
• 同步&异步：线程和进程倾向于同步执行，而协程则更常用于异步操作
• 抢占&非抢占：线程面临操作系统抢占，协程则由编程者控制，实现非抢占式执行
• 资源承载：线程是CPU资源的分片，协程则在这些线程上实现细粒度的任务调度和执行

选择策略

在考虑优化策略时，首先根据任务特点进行选择，若任务为CPU-bound，则选择多进程；否则，根据任务量、协程支持情况以及实现复杂度选择，选择使用多线程或多协程。