Android 面试题之 Kotlin 协程到底是什么?它是线程吗?
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协程是什么?
协程是线程吗?是线程池的线程?是轻量级的线程?
实际上,可以非常肯定的说,协程不是线程!
我们反过来想,如果协程是线程,那么咱们怎么让一个线程挂起呢?
那既然协程不是线程,那又为什么常说协程是轻量级的线程呢?协程轻在哪呢?
"轻量级"的线程
Kotlin 中的协程经常被称为“轻量级线程”,这是相对于传统的线程模型而言的。为了更好地理解这一点,我们需要从内存占用、任务切换、JVM 内存模型等多方面进行剖析。
1. 轻量级的原因
1.1 内存占用
线程: 每个线程在创建时分配一定数量的栈内存(默认大约 1MB)。如果系统启动大量线程,则会消耗大量内存,可能导致系统资源枯竭。
协程: 协程是运行在现有线程中的,它们不需要单独的栈内存,而是共享调用栈。这样协程仅需要少量内存开销,通常每个协程只占用几个 KB。这使得同一线程可以管理和运行大量协程,不受传统线程数量限制。
1.2 任务切换
线程切换: 线程切换由操作系统管理,涉及到用户态和内核态之间的切换,代价较高,需要保存和恢复 CPU 寄存器、程序计数器、内存栈等。
协程切换: 协程切换在用户态完成,不涉及内核态切换,只是切换函数的上下文,代价相对低很多。
2. 内存模型
2.1 线程内存模型
在 JVM 中,每个线程都有自己独立的线程栈,每个栈帧包含局部变量、操作数栈和相关信息。当线程被挂起时,所有这些信息必须保存并在重新调度时恢复。
2.2 协程内存模型
协程的栈帧通常是堆上的对象,当协程挂起时,不需要切换线程,只是函数调用的上下文发生变化,把协程状态保存到堆中。这种模型使得内存利用更加高效和灵活。
2.3 协程堆栈帧
协程在挂起时,会将当前的堆栈帧转换为对象并存储在堆中。这个对象包含了所有当前帧的局部变量、挂起点以及其他必要信息。恢复时,这个对象重新转换为堆栈帧并继续执行。
2.4 Continuation
Kotlin 中的挂起函数实质上会被编译器转换成带有回调的 Continuation 对象。该对象包含两个主要部分:
上下文(Continuation Context):绑定的执行环境。
恢复逻辑(Resume Logic):保存和处理挂起点的逻辑。
3. 执行机制
3.1 线程
线程由操作系统调度,执行时获得 CPU 时间片,可能被抢占。这一过程完全由操作系统管理,且每次线程切换都会导致上下文切换,引入显著的开销。
3.2 协程
协程仅占用一个线程的部分时间,是由协程库(例如 kotlinx.coroutines
)管理。一个线程可以执行多个协程,只要它们异步工作并时常挂起和恢复。这大大减少了切换开销,改善性能。
4. 协程例子
在这个例子中,启动了 10 万协程,但内存占用远远小于 10 万个线程,且切换效率高。这是因为:
非阻塞挂起:
delay
使得协程挂起,但不阻塞线程,使得同一线程可以继续处理其他协程。上下文保存和恢复: 协程的上下文切换只需要保存和恢复堆上的对象状态,代价低。
由于协程不阻塞线程,上面的例子中,日志几乎是同时打印的
总结
Kotlin 协程的轻,主要原因包括:
内存占用更少:协程不需要独立的栈内存,而是共享调用栈。
低切换开销:协程切换在用户态完成,无需与操作系统交互,开销小。
高并发模型:在同一线程上可以高效地运行大量协程,不受传统线程创建管理的限制。
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