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 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~!~!

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