前言

📫作者简介：小明java问道之路，专注于研究计算机底层/Java/Liunx 内核，就职于大型金融公司后端高级工程师，擅长交易领域的高安全/可用/并发/性能的架构设计📫 

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本文导读

Linux 中如何进行进程的切换。由于线程的表现形式也为进程，只不过共享了数据，所以我们研究进程即可，线程也是如此，同时协程是为了方便更好的编程，而不是提高性能

一、协程的出现

在上面我们看到了进程的切换，可以看到从一个进程切换到另一个进程，如果不研究底层，我们根本无法知道是如此的复杂，虽然线程共享了内存数据，但本质上还是进程，所以切换也相对耗时。

那么，有没有一种不需 要切换却能拥有类似于线程的东西呢？答案便是协程。

在网上充斥着大量：协程性能高于线程的话题，笔者这里以此文详细介绍协程的作用与实现方式，

帮助读者理清思路，树立正确的理解：协程是为了方便更好的编程，而不是提高性能。我们来看看该代码有何性能问题：

1、p 线程仅仅生产了一个数据，然后就阻塞了，等待 c 线程获取数据

2、c 线程仅仅获取了一个数据，然后就阻塞了，等待 p 线程生产数据

3、通过前面的原理分析，我们知道一个线程在底层需 要将自己加入到阻塞队列，然后调用 schedule 函数将 CPU 控制权移交。其中又包含了系统调用(进入内核完成阻塞)

4、线程也需要自己的线程栈和 TCB (线程控制块)将会占用系统额外空间

        Object data;        // 生产者线程        new Thread(() -> {            for (; ; ) {                while (data != null) {                    notify consumer;                    wait;                }                data = new Object();            }        }).start();
        // 消费者线程        new Thread()->{            while (data == null) {                notify consumer;                wait;            }            System.out.printin(data);            data = null;        }).start();

能否优化下呢？我们再来看以下代码，这里一个线程完成了两个线程做的事，而我们将代码改写成了状态机模式，也即通过状态来切换分支，这和线程如此相似。

1、线程需要传入 Runnable 对象，如果是其他语言的读者，可以参考下你熟悉的语言，是不是传入了一个线程执行体(函数指针、或者对象、或者代码块)

2、线程无外乎就是共享数据，不同线程执行不同的代码

3、使用状态+switch ，我们同样生成了对应的分支代码: PROD、CONSUMER 了解到上述知识后，这就是用状态机实现的协程。

二、何为协程

现在我们可以来定义一下，何为协程？

轻量级的线程，拥有自己的执行代码块，但是却不需要系统调用来切换，只需要在用户空间切换。

这不就是增加了性能么？以上的例子是协程的一个改写例子而已。但是我们想要的不是在代码层面对此进行优化，让我们去编写这些高性能代码，我们想要的是在底层默默地把这些事情做了，就像上面的 switch case，让程序员可以像写线程代码一样编写程序，而对于状态机的转换也好，实际的协程实现也好，都由语言本身底层来实现了。看以下 Go 语言的例子，我们只需要同步的编写代码，但是底层可以由协程来完成处理。

如何实现？我们可以用上面的状态机来实现，当然也可以用真正的协程控制块来实现。

三、协程的作用

协程可以帮助我们使用同步代码编写出异步的代码，这一切可以在底层进行实现，比如：socket、write ，该函数为阻塞函数，如果我们使用同步代码，可以使用 NIO+线程池，比如 Epoll+线程池来选择( Epoll 判断通道可写， 那么将写操作放入到线程池中异步写入) ， 然后写入，但是我们得编写 callback 回调函数。

但是，如果我们使用协程，你只需要在代码层面这样编写：socket、write ，然后在底层将这一切全部封装，你以为你写的是同步代码，事实上在底层却使用了 NIO+线程池来完成异步性能优化。正如前面的例子那样，原来我需要两个线程，现在我只需要一个线程，然后用状态机实现，你可以在编码层面认为你使用了多线程，比如： go producer 可以完全在底层用一个线程和状态机来完成。

这就是协程的魅力：没有协程，可能你需要使用 NIO+线程池、异步 callback ，但是有了协程，放心写同步代码即可。

1、进程的出现是为了并行/并发执行提高系统性能

2、线程的出现是为了避免使用进程时的空间浪费和时间性能

3、协程的出现是为了帮助开发者简单的编写程序，对底层的线程和进程进行封装

四、协程的实现

在上面的内核中进程切换中我们看到了 shedule 函数，在该函数中完成对进程的切换，在切换时，我们需要保存程序的执行数据，比如：CPU 寄存器（保存在哪？这个知道就行啦，因为不同的进程肯定执行数据不同，至于保存在哪。在后面我们再详细讲解，别忘了现在主题是：协程实现）。这时，我们称 shedule 函数为进程调度函数（同它的命名样）。通过这样的方式我们尝试来推理下，如何实现协程：

1、CPU 中有一个 IP 寄存器（指令指针寄存器，用于指示执行的指令位置）

2、协程和线程都是一个代码执行体（Runnable、代码块、函数指针等等）

3、那么只需要对 IP 寄存器进行保存修改便可以控制 CPU 执行不同位置的代码（注意：这里说的异常简单，事实上还需要保存和修改其他寄存器：四个通用寄存器、段寄存器、堆栈寄存器、EFLAGS 标志位寄存器等等，这里读者先简化为 IP 寄存器即可，后面我会通过混沌学习法给读者展示汇编的学习方式和 CPU 的构造）

4、线程是轻量级进程，在内核中的 schedule 函数中对进程 A 的 IP 保存、然后修改 CPU 的 IP 为 B 进程的指令指针，这样就完成了切换

5、协程呢？同样我们可以在用户态的代码中手动保存 IP 寄存器，然后切换到其他代码执行体的 IP 指针，这样就完成了切换

6、那么如何修改和保存呢（保留点好奇心，后面在介绍 C 语言的方法调用原理时笔者会详细介绍如何存。为了满足好奇心较重的读者，这里先给出结论：调用某个方法时将会把 IP 寄存器的值和 BP 栈基址寄存器压到堆栈中，这时我们就可以得到被切换的进程 A 的下一条执行指令指针 IP，那么 enjoyit）

总结

上面我们给出的推理是向线程一样实现了一个协程，也即协程拥有者自己的协程 ccb（协程控制块），其中包含了协程代码块中的上下文信息：CPU 寄存器的数据。然后我们可以有三种方式来实现：

1、跟内核样，拥有着个调度程序 schedule，来选择调度协程

2、不需要调度函数。只需要跟方法调用一样，拥有者严格调用链关系：A 代码块>B 代码块>C 代码块，这时 C 代码块主动让出 CPU 只能回到 B 代码块，同理 B 也只能回到 A 代码块，C 代码块不能直接回到 A 代码块。这如何实现？还是需要在之后说完 C 的方法调用原理才能讲明白，这里了解下即可（学过这部分知识的读者，可以从 C 的压栈保存 RIP 和 RBP，通过 RSP 和 RBP 开辟新的 C 帧来考虑：A 代码块可以手动操作，将 A 的代码中的 CPU 数据信息放到栈中，然后手动操作 RSP、RBP 开辟 B 代码块的空间，然后修改 RIP 指向 B 代码块执行即可，然后在恢复 A 代码块时，只需要将栈底的 RBP 以下保存的诸多寄存器数据还原，然后最后还原 RIP 即可（当然你也可以不在栈上保存这些 CPU 状态信息，你可以使用 malloc 开辟一个堆空间来保存，取决于你）

3、用 switchcase+状态机这种奇葩的技巧来实现不难看出，这两种方式的共同点：都是切换代码的执行路径，只不过一个跟线程一样，有一一个上下文的控制块，一个直接通过一个变量来切换。如果我们使用方法 1 来实现，这样，我们的协程又有两种实现方式：1.对称协程：所有协程全部平等，在调度函数中对协程进行选择；2.非对称协程：协程之间关系不平等，有着严格调用链的关系，在释放 CPU 资源时，只能回退

到调用方执行