11 多任务：进程、线程与协程 你好，我是七牛云许式伟。

到现在为止，我们已经介绍了操作系统的存储管理：内存与外存；也已经介绍了输入与输出设备的管理。

当然，考虑到输入与输出设备属于人机交互范畴，我们主要会留到下一章 “桌面软件开发” 去详细介绍，这一章，我们仅概要地回顾输入与输出设备的需求演进过程。

CPU + 存储 + 输入与输出，软件开发最基础的内容基本上就都覆盖到了。 今天开始，我们就来聊一聊多任务。

多任务与执行体

多任务的需求是随处可见的。常见的场景，比如我们想边工作边听音乐；又或者我们需要跑一个后台监控程序，以报告随时可能发生的异常。

那么，怎么才能做到多任务？

我们先从物理层面看。最早期的 CPU 基本上都是单核的，也就是同一时间只能执行一条指令。尽管如此，大家可能都听过 “摩尔定律”，简单地说就是，每隔一年半到两年，同样的钱能买到的计算力能够翻一倍。

这当然不是什么严谨的物理学定律，更多的是一定历史时期下的经验之谈。早期 CPU 工艺的发展，基本上是通过提高电子元器件的密集程度实现的；但是电子元器件大小总归有个极限，不可能无限小下去。

那么怎么办？不能更小的话，那就横向多铺几个，一颗 CPU 多加几颗核心。这样多核技术就出现了。多核的意思是说，单核速度我提不上去了，多给你几个，价格一样。

所以物理层面的多任务，有两个方法：一个是多颗 CPU，一个是单颗 CPU 多个核心。

在桌面端，大多数情况用的是后者，因为桌面端的产品（个人计算机、手机、手表等）还是很在意产品的体积如何尽可能做得更小；而服务器领域，通常同时使用两者，它更多关注的是如何尽可能提升单台计算机的计算力密度。

但如果我们实际就只有一个单核的 CPU，是否就没办法实现多任务呢？

当然可以。方法是把 CPU 的时间切成一段段时间片，每个时间片只运行某一个软件。这个时间片给软件 A，下一个时间片给软件 B。因为时间片很小，我们会感觉这些软件同时都在运行。这种分时间片实现的多任务系统，我们把它叫分时系统。

分时系统的原理说起来比较简单，把当前任务状态先保存起来，把另一个任务的状态恢复，并把执行权交给它即可。这里面涉及的问题有：

  • 任务是什么，怎么抽象任务这样一个概念；
  • 任务的状态都有什么？怎么保存与恢复；
  • 什么时机会发生任务切换？

从今天的现实看，任务的抽象并不是唯一的。大部分操作系统提供了两套：进程和线程。有的操作系统还会提供第三套叫协程（也叫纤程）。

我个人喜欢统一用来 “执行体” 一词来统称它们。所谓执行体，是指可被 CPU 赋予执行权的对象，它至少包含下一个执行位置（获得执行权后会从这里开始执行）以及其他的运行状态。

任务的状态都有什么？

从 CPU 的角度，执行程序主要依赖的是内置存储：寄存器和内存（RAM），它们构成执行体的上下文。

先看寄存器。寄存器的数量很少且可枚举，我们直接通过寄存器名进行数据的存取。

在我们把 CPU 的执行权从软件 A 切换到软件 B 的时候，要把软件 A 所有用到的寄存器先保存起来（以便后续轮到软件 A 执行的时候恢复），并且把寄存器的值恢复到软件 B 上一次执行时的值，然后才把执行权交给软件 B。

这样，在软件 A 和 B 的视角看来，它们好像一直都是独自在使用 CPU，从未受到过其他软件的打扰。

我们再看内存（RAM）。CPU 在实模式和保护模式下的内存访问机制完全不同，我们分别进行讨论。在实模式下，多个执行体同在一个内存地址空间，相互并无干扰（非恶意情况下）。

在保护模式下，不同任务可以有不同的地址空间，它主要通过不同的地址映射表来体现。怎么切换地址映射表？也是寄存器。

所以，总结就一句话：执行体的上下文，就是一堆寄存器的值。要切换执行体，只需要保存和恢复一堆寄存器的值即可。 无论是进程、线程还是协程，都是如此。

进程与线程

那么，不同的执行体究竟有何不同？为何会出现不同种类的执行体？

进程是操作系统从安全角度来说的隔离单位，不同进程之间基于最低授权的原则。

在创建一个进程这个事情上，UNIX 偷了一次懒，用的是 fork（分叉）语义。所谓 fork，就是先 clone 然后再分支，父子进程各干各的。

这样创建进程很讨巧，不用传递一堆的参数，使用上非常便利。但我认为从架构设计的角度，这是 UNIX 操作系统设计中最糟糕的 API，没有之一。而更不幸的是 Linux 把这一点继承下来了。

为什么进程 fork 是糟糕的？这是因为：进程是操作系统最基本的隔离单元，我们怕的就是摘不清楚，但是 fork 偏偏要藕断丝连。

这一点 Windows 要清晰很多，哪些文件句柄在子进程中还要用到，一一明确点名，而不是 fork 一下糊里糊涂就继承过去了。

事实上我个人那么多年工程经验表明，除了会接管子进程的标准输入和标准输出，我们几乎从来不会通过向子进程传递文件句柄来通讯。

所以 fork 这种传递进程上下文的方式，是彻头彻尾的一次过度设计。甚至严重一点说，是设计事故。

线程的出现，则是因为操作系统发现同一个软件内还是会有多任务的需求，这些任务处在相同的地址空间，彼此之间相互可以信任。

从线程角度去理解 UNIX 的 fork，能够稍微理解一些设计者们当年的考量。

早期操作系统中没有线程的概念，也不会有人想到要搞两套执行体。所以进程实际上承担了一部分来自线程的需求：我需要父进程的环境。

协程与goroutine

协程并不是操作系统内核提供的，它有时候也被称为用户态线程。这是因为协程是在用户态下实现的。如果你感兴趣，也可以自己实现一个。

但为什么会出现协程呢？看起来它要应对的需求与线程一样，但是功能比线程弱很多？

答案是因为实现高性能的网络服务器的需要。对于常规的桌面程序来说，进程+线程绰绰有余。 但对于一个网络服务器，我们可以用下面这个简单的模型看它：

对网络服务器来说，大量的来自客户端的请求包和服务器的返回包，都是网络 IO；在响应请求的过程中，往往需要访问存储来保存和读取自身的状态，这也涉及本地或网络 IO。

如果这个网络服务器有很多客户，那么整个服务器就充斥着大量并行的 IO 请求。

操作系统提供的标准网络 IO 有以下这些成本：

  • 系统调用机制产生的开销；
  • 数据多次拷贝的开销（数据总是先写到操作系统缓存再到用户传入的内存）；
  • 因为没有数据而阻塞，产生调度重新获得执行权，产生的时间成本；
  • 线程的空间成本和时间成本（标准 IO 请求都是同步调用，要想 IO 请求并行只能使用更多线程）。

在一些人心目中会有一个误区：操作系统的系统调用很慢。这句话很容易被错误地理解为系统调用机制产生的开销很大。

但这是很大的误解。系统调用虽然比函数调用多做了一点点事情，比如查询了中断向量表（这类似编程语言中的虚函数），比如改变 CPU 的执行权限（从用户态跃迁到内核态再回到用户态）。

但是注意这里并没有发生过调度行为，所以归根结底还是一次函数调用的成本。怎么理解操作系统内核我们示意如下：

从操作系统内核的主线程来说，内核是独立进程，但是从系统调用的角度来说，操作系统内核更像是一个多线程的程序，每个系统调用是来自某个线程的函数调用。

为了改进网络服务器的吞吐能力，现在主流的做法是用 epoll（Linux）或 IOCP（Windows）机制，这两个机制颇为类似，都是在需要 IO 时登记一个 IO 请求，然后统一在某个线程查询谁的 IO 先完成了，谁先完成了就让谁处理。

从系统调用次数的角度，epoll 或 IOCP 都是产生了更多次数的系统调用。从内存拷贝来说也没有减少。所以真正最有意义的事情是：减少了线程的数量。

既然不希望用太多的线程，网络服务器就不能用标准的同步 IO（read/write）来写程序。知名的异步 IO 网络库 libevent 就是对 epoll 和 IOCP 这些机制包装了一套跨平台的异步 IO 编程模型。

Node.js 一炮而红，也是因为把 JavaScript 的低门槛和 libevent 的高性能结合起来，给了前端程序员一个“我也能搞高性能服务器”的梦想。

但是异步 IO 编程真的很反人类，它让程序逻辑因为 IO 异步回调函数而碎片化。我们开始怀念写同步 IO 的那些日子了。

让我们再回头来看：我们为什么希望减少线程数量？因为线程的成本高？我们分析一下。

首先，我们看下时间成本。它可以拆解为：

  • 执行体切换本身的开销，它主要是寄存器保存和恢复的成本，可腾挪的余地非常有限；
  • 执行体的调度开销，它主要是如何在大量已准备好的执行体中选出谁获得执行权；
  • 执行体之间的同步与互斥成本。

我们再看线程的空间成本。它可以拆解为：

  • 执行体的执行状态；
  • TLS（线程局部存储）；
  • 执行体的堆栈。

空间成本是第一根稻草。默认情况下 Linux 线程在数 MB 左右，其中最大的成本是堆栈（虽然，线程的堆栈大小是可以设置的，但是出于线程执行安全性的考虑，线程的堆栈不能太小）。

我们可以算一下，如果一个线程 1MB，那么有 1000 个线程就已经到 GB 级别了，消耗太快。

执行体的调度开销，以及执行体之间的同步与互斥成本，也是一个不可忽略的成本。虽然单位成本看起来还好，但是盖不住次数实在太多。

我们想象一下：系统中有大量的 IO 请求，大部分的 IO 请求并未命中而发生调度。另外，网络服务器的存储是个共享状态，也必然伴随着大量的同步与互斥操作。

综上，协程就是为了这样两个目的而来：

  • 回归到同步 IO 的编程模式；
  • 降低执行体的空间成本和时间成本。

但是，大部分你看到的协程（纤程）库只是一个半吊子。它们都只实现了协程的创建和执行权的切换，缺了非常多的内容。包括：

  • 协程的调度；
  • 协程的同步、互斥与通讯；
  • 协程的系统调用包装，尤其是网络 IO 请求的包装。

这包含太多的东西，基本上你看到的服务端操作系统所需的东西都要包装一遍。而且，大部分协程库，连协程的基础功能也是半吊子的。这里面最难搞的是堆栈。

为什么协程的堆栈是个难题？因为，协程的堆栈如果太小则可能不够用；而如果太大则协程的空间成本过高，影响能够处理的网络请求的并发数。理想情况下，堆栈大小需要能够自动适应需要。

所以，一个完备的协程库你可以把它理解为用户态的操作系统，而协程就是用户态操作系统里面的 “进程”。

这世界上有完备的协程库么？有。有两个语言干了这事儿：Erlang 和 Go 语言。Erlang 语言它基于虚拟机，但是道理上是一致的。Go 语言里面的用户态 “进程” 叫 goroutine。它有这样一些重要设计：

  • 堆栈开始很小（只有 4K），但可按需自动增长；
  • 坚决干掉了 “线程局部存储（TLS）” 特性的支持，让执行体更加精简；
  • 提供了同步、互斥和其他常规执行体间的通讯手段，包括大家非常喜欢的 channel；
  • 提供了几乎所有重要的系统调用（尤其是 IO 请求）的包装。

架构师的批判性思维

多任务的需求非常复杂。

为了满足需要，人们不只发明了三套执行体：进程、线程和协程，还发明了各种五花八门的执行体间的通讯机制（可以参考 “[08 操作系统内核与编程接口]” 中我们给出的表格）。有一些执行体间的通讯机制在逐渐消亡，退出历史舞台。

操作系统内核之中，不乏无数精妙的设计思想。但是，前辈们也并非圣贤，也可能会出现一些决策上失误，留下了诸多后遗症。

这非常正常。操作系统内核是非常庞大而复杂的基础软件。它并不像计算机基础体系结构，简洁优雅。

对 CPU 而言，统一的、接口一致的输入输出设备，到了操作系统这里，它需要依据每一种设备的需求特性，抽象出对应的更加用户友好的使用接口。这个工作既繁重，又需要极强的预见性。

而作为后辈的我们，在体会这些精妙的设计思想的同时，也要批判性去吸收。日常我们天天依赖于这些基础架构，受到它们的影响与约束，这些实在是最佳的学习材料。

结语

今天我们重点介绍了多任务，以及多任务带来的复杂需求，由此介绍了进程、线程和协程等三套执行体的设计。后面我们还会分进程内和进程间来介绍进程的通讯机制。

执行体的设计，有非常多值得反思的地方。UNIX 的 fork API 是否是一个好的设计？线程的设计是否成功？如果线程的设计是优良的，是不是就不再有 Go 语言这种在用户态重造执行体和 IO 子系统的必要性？

如果你对今天的内容有什么思考与解读，欢迎给我留言，我们一起讨论。如果你觉得有所收获，也欢迎把文章分享给你的朋友。感谢你的收听，我们下期再见。

参考资料

https://learn.lianglianglee.com/%e4%b8%93%e6%a0%8f/%e8%ae%b8%e5%bc%8f%e4%bc%9f%e7%9a%84%e6%9e%b6%e6%9e%84%e8%af%be/11%20%e5%a4%9a%e4%bb%bb%e5%8a%a1%ef%bc%9a%e8%bf%9b%e7%a8%8b%e3%80%81%e7%ba%bf%e7%a8%8b%e4%b8%8e%e5%8d%8f%e7%a8%8b.md