进程、线程、绿色线程、protothreads、纤程、协程：它们有什么区别？

Question

进程、线程、绿色线程、protothreads、纤程、协程：它们有什么区别？

multithreadingconcurrencyprocessparallel-processingfiber

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我正在学习并发技术，但遇到了一些具有混淆相似定义的术语，包括：

进程
线程
"绿色线程"
Protothreads
纤程
协程
Go 语言中的 "Goroutines"

我的印象是它们之间的区别在于：(1) 是否真正并行或多路复用；(2) 在 CPU、操作系统或程序中进行管理；以及 (3..5) 我无法确定的其他一些事情。

是否有简明扼要且明确无误的指南来区分这些并发技术？

- jameshfisher

4个回答

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我大部分同意Gian的回答，但对于一些并发原语有不同的解释。请注意，不同的作者常常不一致地使用这些术语。以下是我最喜欢的定义（希望与现代共识不太远）。

进程：
- 由操作系统管理
- 每个进程都有自己的虚拟地址空间
- 可以被系统中断（抢占），以允许另一个进程运行
- 可以与在不同处理器上运行的其他进程并行运行
- 进程的内存开销很高（包括虚拟内存表、打开文件句柄等）
- 创建和在进程之间进行上下文切换的时间开销相对较高
线程：
- 由操作系统管理
- 每个线程“包含”在某个特定进程中
- 同一进程中的所有线程共享同一虚拟地址空间
- 可以被系统中断以允许另一个线程运行
- 可以与在不同处理器上运行的其他线程并行运行
- 与进程相关的内存和时间开销比较小，但仍然相对较大
  - （例如，通常上下文切换涉及进入内核并调用系统调度程序。）
协作线程：
- 可能是或不是由操作系统管理
- 每个线程“包含”在某个特定进程中
- 在某些实现中，每个线程“包含”在某个特定的操作系统线程中
- 不能被系统中断以允许协作对等方运行
  - （当然，包含进程/线程仍然可以被中断）
- 必须调用一个特殊的yield原语才能允许对等的协作线程运行
- 通常不能与对等的协作线程并行运行
  - （虽然有些人认为这是可能的：http://ocm.dreamhosters.com/）
- 有很多变种的协作线程主题，它们有不同的名称：
  - 纤程
  - 绿色线程
  - Protothreads：
  - 用户级线程（用户级线程可以是可中断/可抢占的，但这是相对不常见的组合）
  - 一些协作式线程的实现使用技术，例如分割堆栈或甚至为每个调用帧单独分配堆内存，以减少与预先为堆栈分配大块内存相关的内存开销
  - 根据实现，调用阻塞系统调用（例如从网络读取或睡眠）将导致整个协作式线程组阻塞或隐式地导致调用线程让出
  - 协程：
  - 生成器：
  - Goroutines：
  - 事件处理程序：
  - 任务：
    - 由管理器分配给工人池的工作单位
    - 工人可以是线程、进程或机器
      - 当然，任务库使用的工作者类型对于如何实现任务有重大影响
    - 在这个术语使用不一致和混乱的列表中，“任务”这个词夺得桂冠。尤其是在嵌入式系统社区中，“任务”有时被用来表示“进程”、“线程”或“事件处理程序”（通常称为“中断服务例程”），也有时通用/非正式地指代任何计算单元。
  我无法停止自己抱怨的一个小问题是：我不喜欢将“真并发”用作“处理器并行”的短语。虽然它很常见，但我认为它会导致很多混淆。
  
  对于大多数应用程序，我认为基于任务的框架最适合并行化。大多数流行的框架（如Intel的TBB、Apple的GCD、Microsoft的TPL和PPL）使用线程作为工作者。我希望有一些使用进程的好替代品，但我不知道有哪些。
  
  如果您对并发感兴趣（而非处理器并行），则事件处理程序是最安全的选择。合作线程是一个有趣的替代方案，但有点像“西部荒野”。如果您关心软件的可靠性和鲁棒性，请不要将线程用于并发。

- Ben Ylvisaker

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“真正的并发”是并发理论中一种特定的并发语义的技术术语。 “处理器并行性”可以用来实现真正的并发语义。 - Gian

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感谢你的澄清/更正，Gian。我评论的是我认为“真正并发”这个词组的一般非正式用法。如果这种用法实际上不那么常见，而更像我的幻觉，请接受我的道歉。 - Ben Ylvisaker

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我认为人们往往滥用这个术语，所以我同意当人们使用“真正的并发”时，应该对此提出异议，因为他们实际上只是指“并行”。顺便说一句，你的回答很好，我点了赞！ - Gian

从上面的内容中并没有完全理解协程是什么。 - Rusty Core

协程是当今相当热门的话题，因此您可以在网络上找到大量信息。简而言之，协程是一种多任务抽象；“调用”协程实际上是分叉该例程的新动态实例。在协程的主体内，特殊的yield/await原语可以将控制传递给另一个正在运行的协程。与协作式多线程不同，由协程调用的常规例程不能调用yield。异步函数只是协程的略有不同的外观。 - Ben Ylvisaker

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Protothreads只是一个开关案例实现，它的作用类似于状态机，但使软件的实现变得更加简单。它基于在case标签之前保存a和int值的想法，并通过读回该变量并使用switch来确定继续执行的位置，从而在case之后返回到原点。因此，protothread是状态机的顺序实现。

- user2826084

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当实现顺序状态机时，Protothreads非常好用。Protothreads实际上并不是线程，而是一种语法抽象，使得编写一个必须按顺序切换状态（从一个状态到另一个状态等）的switch/case状态机变得更加容易。

我已经使用Protothreads来实现异步io：http://martinschroder.se/asynchronous-io-using-protothreads/

- Martin

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可以查看英文原文，
原文链接

- Gian · Accepted Answer

好的，我会尽力而为。虽然有很多需要注意的地方，但我会尽力以我理解的方式解释这些术语和参考资料，以便更加贴近我所提供的定义。

进程: 由操作系统管理，可能是真正的并发，至少在有合适硬件支持的情况下。存在于它们自己的地址空间中。
线程: 由操作系统管理，在与父进程及其所有其他线程相同的地址空间内。可能是真正的并发，并且多任务是抢占式的。
绿色线程: 这些是同样概念的用户空间投影，但不是由操作系统管理。除了可能有多个工作线程或进程同时给它们CPU时间之外，可能不是真正的并发，因此最好将其视为交错或复用。
Protothreads: 我无法真正理解这些的定义。我认为它们是交错和程序管理的，但不要相信我的话。我的感觉是，它们实质上是一种特定于应用程序领域的“绿色线程”模型的应用程序特定实现，经过适当的修改。
纤程: 由操作系统管理。与线程完全相同，只是协作式多任务处理，因此不是真正的并发。
协程: 与纤程完全相同，只是不受操作系统管理。
Goroutines: 它们声称与其他任何东西都不同，但它们似乎就是绿色线程，即在单个地址空间中由进程管理并复用于系统线程。也许了解Go的人可以理解其市场宣传。

值得注意的是，在并发理论中，“进程”这个术语还有其他理解方式，即“过程演算”意义上的process calculus。这个定义与上述定义无关，但我认为提一下是值得的，以免在某些地方看到“进程”被用于那个意义时产生混淆。

另外，请注意parallel和concurrent之间的区别。你在问题中可能使用了前者，但我认为你想表达的是后者。