从硬件角度去理解协程

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2022年,虎年虎虎生威~!

前言

Android 开发者来说 Kotlin 语言已经是很熟悉的了,但 Kotlin 中的 协程 不了解的同学可能还有很多。

阅读网络上大多数文章得到的关于 协程 几个关键词:

  • 像是线程;
  • 不是线程;
  • 用户态;
  • 协作式;

感觉很懵逼,我就问一个 协程 而已为什么出现这么多奇奇怪该的名词。

协程简介

维基百科:协程

协程(英語:coroutine)是计算机程序的一类组件,推广了协作式多任务的子例程,允许执行被挂起与被恢复。 相对子例程而言,协程更为一般和灵活,但在实践中使用没有子例程那样广泛。 协程更适合于用来实现彼此熟悉的程序组件,如协作式多任务、异常处理、事件循环、迭代器、无限列表和管道。

电脑物理硬件

协程 之前我们先聊一下计算机硬件相关的知识。

物理 cpu 数

指主板上实际插入的 cpu 硬件个数(socket)。(但是这一概念经常被泛泛的说成是 cpu 数,这很容易导致与 core 数,processor 数等概念混淆,所以此处强调是物理 cpu 数)。

由于在主板上引入多个 cpu 插槽需要更复杂的硬件支持(连接不同插槽的 cpu 到内存和其他资源),通常只会在服务器上才这样做。在家用电脑中,一般主板上只会有一个 cpu 插槽。

核数

一开始,每个物理 cpu 上只有一个核心 a single core ,对操作系统而言,也就是同一时刻只能运行一个进程/线程。 为了提高性能,cpu 厂商开始在单个物理 cpu 上增加核心(实实在在的硬件存在),也就出现了双核心 cpudual-core cpu)以及多核心 cpumultiple cores),这样一个双核心 cpu 就是同一时刻能够运行两个进程/线程的。

超线程技术

同时多线程技术(simultaneous multithreading)

超线程技术(hyper–threading/HT)

本质一样,是为了提高单个 core 同一时刻能够执行的多线程数的技术(充分利用单个 core 的计算能力,尽量让其“一刻也不得闲”)。

simultaneous multithreading 缩写是 SMTAMD 和其他 cpu 厂商的称呼。 hyper–threadingIntel 的称呼,可以认为 hyper–threadingSMT 的一种具体技术实现。

AMD-R7

Intel-i7

所以可以这样说:某款采用 SMT 技术的 4核心 AMD cpu 提供了 8线程 同时执行的能力;某款采用 HT 技术的 2 核心 Intel cpu 提供了 4 线程 同时执行的能力。

总的逻辑 cpu 数 = 物理 cpu 数 * 每颗物理 cpu 的核心数 * 每个核心的超线程数

线程和协程

协程 的时候绝对不能不提 线程

线程 是操作系统能够进行运算的最小单位。

在之前一般情况下 CPU 的每个核心同一时间只能执行一个线程,除了现在比较新的 CPU 拥有上面说的使用 SMT 或者 HT 技术。

CPU 的核心数和 线程 的个数没有必然关系。举个很简单的例子,我一段代码可以一直创建100个线程

CPU 根本不理解自己执行的指令属于哪个 线程CPU 也不需要理解这些,它只需只需当前操作系统给它分配的指令就行。

在单核 CPU 时代所有的多线程其实都是多任务,多个任务交替使用 CPU资源

有了多核之后,运行在两个线程的任务才实现正真的并行,但电脑的实际核数永远也达不到我们运算需要的任务数量。所以多个任务交替使用 CPU资源 这种情况一直存在,但我们知道 CPP 切换执行线程的上下文都是需要消耗资源的,任务数量越多不一定执行效率更高。对于计算密集型的程序有的建议是设置线程的最佳数量为 CPU 可执行线程数的 1.5倍 或者 1倍+1

在这个时候我们想到能不能在异步任务之间切换的时候不切换 CPU 的上下文状态,这样可以减少很多资源的浪费。或者在 CPU 长时间执行 I/O操作 的时候让其他例程先执行,提供资源的利用率。

协程 就在这个时候产生了,协作式执行多任务的子例程。

这时候我们已经对 协程 有了初步的了解了,回头想想文章开头4个描述 协程 的说明。

  • 像是线程:在部分程序执行的过程中,协程的并发执行就是利用的多线程技术(例如:没有进行改版的 Java程序 )。所以说它像是线程;
  • 不是线程:并发任务的调度不是都通过操作系统级别线程切换执行,而是程序本身支持单个线程的多个并发任务。所以也可以说它不是线程,可以叫它们纤程 Fiber ,或者绿色线程 GreenThread 。正如一个进程可以拥有多个线程一样,一个线程也可以拥有多个协程。
  • 用户态:不是系统级别的线程而且能自主执行异步任务,这种由程序员自己写程序来管理的轻量级线程叫做用户空间线程,具有对内核来说不可见的特性。
  • 协作式:要求每个运行中的程序,定位放弃自己的执行权利,让多个任务一起交替执行。维基百科:协作式多任务

Android中的协程

上面说的 协程 减少上下文切换,提供效率,那么 Androidkotlin 支持协程么?

kotlin 官方文档说:本质上,协程是轻量级的线程。

但就目前 Kotlin-JVM 而言来说 协程 它就是线程。其本质上还是一套基于原生 Java Thread API 的封装。

可能后续 Kotlin 的版本会有正真的协程相关的机制来代替线程。

这个时候可能我们可能就有一些疑问,既然 协程Android 平台上依旧是 线程 并没有提示运行效率,Java 中的 ExecutorAndroid 中的 AsyncTask 都能提供并发任务,那么 kotlin协程 它有什么用?后面会有一篇文章单独讲解~!

参考资料:

一文读懂什么是进程、线程、协程

Kotlin 协程真的比 Java 线程更高效吗?

扔物线:Kotlin的协程用例瞥一眼

文章到这里就全部讲述完啦,若有其他需要交流的可以留言哦~!~!