【協(xié)程原理】 - 協(xié)程不過是用戶態(tài)的線程

pcChao 發(fā)布于2019-07-31 11:34 / 3667人閱讀

摘要：也就是現(xiàn)代操作系統(tǒng)的虛擬內(nèi)存空間。有在兩個進程之間切換狀態(tài)的時候，需要把內(nèi)存的映射關系調整過來，否則虛擬內(nèi)存的地址是無法對應到正確的物理地址的。但是原理是非常類似的。協(xié)程與線程的區(qū)別在于，協(xié)程的是在完全在用戶態(tài)，由語言的或者是庫來完成的。

TL;DR

筆者最美好的記憶來自于早年在6502 cpu的cc800上寫匯編的年代，那個時代的計算機甚至沒有操作系統(tǒng)，也沒有實模式等保護機制。在6502上寫匯編應用其實非常簡單，系統(tǒng)會把bin文件加載到一個固定的內(nèi)存地址中，cpu會固定地從一個特定的位置開始執(zhí)行。然后cpu就按照你提供的機器指令開始一條一條的執(zhí)行。在高級語言中的“函數(shù)調用”的概念，在匯編里主要體現(xiàn)為兩個寄存器。寄存器是cpu內(nèi)部臨時保存數(shù)據(jù)的區(qū)域，相當于高級語言里的變量。但是有一個寄存器是特殊的，它存放了cpu當前正在執(zhí)行的指令的內(nèi)存地址(Instruction Register)。一個高級語言中的函數(shù)一般會被編譯成指令存放在一段連續(xù)的內(nèi)存空間中（data segment）。那么所謂函數(shù)執(zhí)行到了第幾行這樣的信息其實就是保存在這個Instruction Register中的。另外一個很特殊的寄存器是Stack Register，它其中存放的內(nèi)存地址指向的內(nèi)存區(qū)域用于函數(shù)之間傳遞參數(shù)和返回值，以及存放一個函數(shù)內(nèi)的局部變量。如果不考慮現(xiàn)代計算機cpu中各種各樣其他存放中間結果的寄存器，理論上保存了Instruction Register（執(zhí)行到哪兒了）和Stack Register（堆棧上的變量）就保存了一個函數(shù)的當前執(zhí)行狀態(tài)，分別是函數(shù)當前執(zhí)行到了哪，以及這個函數(shù)局部變量所代表的當前state。

事實上，操作系統(tǒng)的幾個關鍵切換也是這么來完成的。操作系統(tǒng)提供了兩個執(zhí)行態(tài)，一個是用戶態(tài)，一般我們的代碼都是執(zhí)行在用戶態(tài)的。另外一個是內(nèi)核態(tài)，像驅動程序之類的代碼會用各種方式被加載到操作系統(tǒng)內(nèi)部執(zhí)行在內(nèi)核之中。內(nèi)核態(tài)里的代碼可以完全控制CPU的I/O中斷，從而可以和外部設備交互。用戶態(tài)的代碼屬于受限代碼，必須把I/O請求通過syscall交由運行在內(nèi)核態(tài)的操作系統(tǒng)來完成。當一個cpu的核在執(zhí)行用戶態(tài)代碼時，其寄存器里存放的狀態(tài)是你的應用的代碼的狀態(tài)，但是應用要進行I/O操作的時候，cpu要被切換到內(nèi)核的代碼里去執(zhí)行內(nèi)核態(tài)的代碼。這里就需要進行一次context switch，所謂context switch其實原理不會比把寄存器的值存到內(nèi)存的一個地方，等回來的時候再把內(nèi)存中臨時保存的值加載回寄存器復雜多少。

操作系統(tǒng)還有一個需要進行context switch的地方，那就是在協(xié)程與協(xié)程之間。操作系統(tǒng)在執(zhí)行一個ELF或者PE的可執(zhí)行文件的時候，對于這個可執(zhí)行文件內(nèi)的匯編代碼來說，整個內(nèi)存尋址空間是獨立的。也就是1.exe的執(zhí)行狀態(tài)完全無法感知到2.exe的執(zhí)行狀態(tài)的內(nèi)存。也就是現(xiàn)代操作系統(tǒng)的虛擬內(nèi)存空間。有cpu在兩個進程之間切換狀態(tài)的時候，需要把內(nèi)存的映射關系調整過來，否則虛擬內(nèi)存的地址是無法對應到正確的物理地址的。一個進程內(nèi)的兩個線成切換的時候，要稍微簡單一些，只需要把當前線成正在執(zhí)行的位置和棧做切換就可以了。

無論是操作系統(tǒng)做user/kernel的switch，還是process/process，thread/thread的switch，其實現(xiàn)方式都是大同小異的。通過把“當前執(zhí)行狀態(tài)”這樣的一個抽象概念落實為一個具體的數(shù)據(jù)結構存儲起來，然后指揮cpu在不同的場合加載不同的數(shù)據(jù)恢復不同的“當前執(zhí)行狀態(tài)”。

在高級語言中，一個函數(shù)正在執(zhí)行的位置以及其狀態(tài)，內(nèi)部都可以有一個抽象的表達方式。有的高級語言直接被編譯成原生的機器碼，那么其執(zhí)行狀態(tài)的表述就和操作系統(tǒng)的context switch的context非常類似。有的高級語言自身執(zhí)行在一個虛擬機之上，那么其context的表述可能是虛擬機的instruction register和stack register，而不是80x86這樣原生的機器的物理寄存器。但是原理是非常類似的。

取決于語言設計者的覺悟，有的語言會把這種表達執(zhí)行狀態(tài)的能力直接提供出來，讓一個函數(shù)在執(zhí)行過程中可以把當前狀態(tài)保存，然后把執(zhí)行權交給另外一個函數(shù)執(zhí)行，等那個函數(shù)放棄執(zhí)行權回來的時候再把保存的狀態(tài)恢復。這也就是所謂的協(xié)程（co-routine）。協(xié)程與線程的區(qū)別在于，協(xié)程的context switch是在完全在用戶態(tài)，由語言的runtime或者是庫來完成的。而線程的context switch則是操作系統(tǒng)來完成的。

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