摘要: 本文介紹協(xié)程、線(xiàn)程及它們執(zhí)行的上下文等概念，同時(shí)給出注意事項(xiàng)。協(xié)程是用戶(hù)級(jí)的任務(wù)調(diào)度，線(xiàn)程是內(nèi)核級(jí)的任務(wù)調(diào)度，而任務(wù)調(diào)度過(guò)程都涉及到上下文切換（保存與恢復(fù)），本文將從較為深刻的角度來(lái)闡述這些概念，及其相互關(guān)系。

協(xié)程和線(xiàn)程

線(xiàn)程在現(xiàn)代的系統(tǒng)里扮演的角色很重要，幾乎一個(gè)現(xiàn)代一點(diǎn)的，稍微復(fù)雜大型一點(diǎn)的程序，往往都會(huì)引入線(xiàn)程，實(shí)現(xiàn)某種意義的并行。線(xiàn)程存在廣泛的支持，從操作系統(tǒng)，到編譯器，再到語(yǔ)言的定義與實(shí)現(xiàn)者，他們都在努力讓線(xiàn)程更好用，也有更少的限制。相反協(xié)程的現(xiàn)實(shí)要慘淡很多，在操作系統(tǒng)那里很少有協(xié)程的影子；只有Windows里，存在一個(gè)協(xié)程的實(shí)現(xiàn)——fiber(在那里它被稱(chēng)為纖程)。

從概念上來(lái)說(shuō)，線(xiàn)程和協(xié)程最大的區(qū)別就是調(diào)度方式不同——線(xiàn)程是被動(dòng)調(diào)度的，協(xié)程是主動(dòng)調(diào)度的。也就是說(shuō)，線(xiàn)程什么時(shí)候執(zhí)行，什么時(shí)候不執(zhí)行，完全是OS決定，線(xiàn)程是OS的菜，程序員最多只能主動(dòng)讓線(xiàn)程停下來(lái)，卻很難讓線(xiàn)程主動(dòng)運(yùn)行起來(lái)。相反協(xié)程的執(zhí)行與停止完全由程序員決定，何時(shí)執(zhí)行、何時(shí)停止簡(jiǎn)單地調(diào)用一個(gè)協(xié)助方法就可以完成。因?yàn)榫€(xiàn)程是被動(dòng)調(diào)度的，所以線(xiàn)程需要大量同步方法；而協(xié)程是主動(dòng)調(diào)度的，所以協(xié)程之間的同步可以很自然完成——該停該跑——就這簡(jiǎn)單直接。

協(xié)程的概念很完美，使用可能也很方便。但是因?yàn)橐恍┪疫€不了解的原因，在C/C++里并沒(méi)有廣泛使用協(xié)程庫(kù)可用，這是因?yàn)楝F(xiàn)在的OS和編譯器無(wú)法很好地支持協(xié)程的實(shí)現(xiàn)；這也許是歷史原因，線(xiàn)程在概念上與線(xiàn)程不相矛盾，但它的許多實(shí)現(xiàn)方式限制了實(shí)現(xiàn)通用安全的協(xié)程。在C語(yǔ)言和UNIX草莽朝代，實(shí)現(xiàn)一個(gè)協(xié)程要比實(shí)現(xiàn)一個(gè)函數(shù)(協(xié)程的一種特例)更困難，而對(duì)于當(dāng)時(shí)來(lái)說(shuō)，函數(shù)已經(jīng)完全夠用了，如此協(xié)程被冷淡了。

在用戶(hù)層協(xié)程被死死地限制了，可是在linux內(nèi)核里，它卻一個(gè)基本的構(gòu)件——內(nèi)核線(xiàn)程，在更多的時(shí)候，更一個(gè)協(xié)程。當(dāng)然這句話(huà)是我自己說(shuō)，在我很有限的Linux內(nèi)核經(jīng)驗(yàn)上說(shuō)的，極有可能是錯(cuò)誤的。

執(zhí)行上下文

線(xiàn)程是操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的，也是操作系統(tǒng)的調(diào)度單位。我們知道，所謂調(diào)度就是操作系統(tǒng)根據(jù)一些規(guī)則決定在何時(shí)中止一個(gè)線(xiàn)程操作，并在一個(gè)恰當(dāng)?shù)臅r(shí)候再喚醒這個(gè)線(xiàn)程。這里有個(gè)自然的問(wèn)題，就是操作系統(tǒng)怎么實(shí)現(xiàn)中止與喚醒操作的？其時(shí)停止與喚醒操作都離不開(kāi)CPU的支持，CPU在硬件上實(shí)現(xiàn)了中斷機(jī)制，OS使用中斷機(jī)制實(shí)現(xiàn)了線(xiàn)程調(diào)度。OS可以告訴CPU，每過(guò)100ms(毫秒)或10ms你就調(diào)用一下一段代碼——這就是所謂的時(shí)鐘中斷例程，OS在這一小段代碼里實(shí)現(xiàn)了線(xiàn)程的中止與喚醒。在這段代碼里，OS通常會(huì)做這些事:

在上面的說(shuō)明，我們看到一次保存狀態(tài)和一次恢復(fù)狀態(tài)，所謂狀態(tài)就是上下文(狀態(tài))，而這個(gè)一次保存和一次恢復(fù)的過(guò)程稱(chēng)為一次上下文切換——大概意思就是說(shuō)，剛才CPU在干這塊的活，現(xiàn)在它又切換到另一塊地方干活了。

現(xiàn)在我們知道上下文切換，以及OS是如何實(shí)現(xiàn)上下文切換的了，那么有一個(gè)問(wèn)題，就是程序員能不能在自己的程序里使用與OS相同功能的代碼，在自己的程序進(jìn)行上下文切換？答案是: 完全可以。事實(shí)上，這就是實(shí)現(xiàn)協(xié)程的基本方法。程序在執(zhí)行的時(shí)候是沒(méi)有函數(shù)這些概念的，諸如函數(shù)這些概念都上層語(yǔ)言及編譯器實(shí)現(xiàn)的抽象概念，CPU不認(rèn)識(shí)。CPU只認(rèn)識(shí)指令及指令操作的地址。

了解 C++ Boost 庫(kù)的人一定知道它最近新加了兩個(gè)庫(kù): context 和 coroutine —— 看這個(gè)名字就知道，前者是實(shí)現(xiàn)了上下文切換的，后者是利用前者實(shí)現(xiàn)了用戶(hù)態(tài)協(xié)程的。