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44 | 协程：更轻量级的线程

44 | 协程：更轻量级的线程-极客时间

44 | 协程：更轻量级的线程

2019-06-08 王宝令 来自北京
《Java并发编程实战》
课程介绍

讲述：王宝令

时长08:15大小7.54M

Java 语言里解决并发问题靠的是多线程，但线程是个重量级的对象，不能频繁创建、销毁，而且线程切换的成本也很高，为了解决这些问题，Java SDK 提供了线程池。然而用好线程池并不容易，Java 围绕线程池提供了很多工具类，这些工具类学起来也不容易。那有没有更好的解决方案呢？Java 语言里目前还没有，但是其他语言里有，这个方案就是协程（Coroutine）。
我们可以把协程简单地理解为一种轻量级的线程。从操作系统的角度来看，线程是在内核态中调度的，而协程是在用户态调度的，所以相对于线程来说，协程切换的成本更低。协程虽然也有自己的栈，但是相比线程栈要小得多，典型的线程栈大小差不多有 1M，而协程栈的大小往往只有几 K 或者几十 K。所以，无论是从时间维度还是空间维度来看，协程都比线程轻量得多。
支持协程的语言还是挺多的，例如 Golang、Python、Lua、Kotlin 等都支持协程。下面我们就以 Golang 为代表，看看协程是如何在 Golang 中使用的。

Golang 中的协程

在 Golang 中创建协程非常简单，在下面的示例代码中，要让 hello() 方法在一个新的协程中执行，只需要go hello("World") 这一行代码就搞定了。你可以对比着想想在 Java 里是如何“辛勤”地创建线程和线程池的吧，我的感觉一直都是：每次写完 Golang 的代码，就再也不想写 Java 代码了。
import (
"fmt"
"time"
)
func hello(msg string) {
fmt.Println("Hello " + msg)
}
func main() {
//在新的协程中执行hello方法
go hello("World")
fmt.Println("Run in main")
//等待100毫秒让协程执行结束
time.Sleep(100 * time.Millisecond)
}
我们在《33 | Thread-Per-Message 模式：最简单实用的分工方法》中介绍过，利用协程能够很好地实现 Thread-Per-Message 模式。Thread-Per-Message 模式非常简单，其实越是简单的模式，功能上就越稳定，可理解性也越好。
下面的示例代码是用 Golang 实现的 echo 程序的服务端，用的是 Thread-Per-Message 模式，为每个成功建立连接的 socket 分配一个协程，相比 Java 线程池的实现方案，Golang 中协程的方案更简单。
import (
"log"
"net"
)
func main() {
//监听本地9090端口
socket, err := net.Listen("tcp", "127.0.0.1:9090")
if err != nil {
log.Panicln(err)
}
defer socket.Close()
for {
//处理连接请求
conn, err := socket.Accept()
if err != nil {
log.Panicln(err)
}
//处理已经成功建立连接的请求
go handleRequest(conn)
}
}
//处理已经成功建立连接的请求
func handleRequest(conn net.Conn) {
defer conn.Close()
for {
buf := make([]byte, 1024)
//读取请求数据
size, err := conn.Read(buf)
if err != nil {
return
}
//回写相应数据
conn.Write(buf[:size])
}
}

利用协程实现同步

其实协程并不仅限于实现 Thread-Per-Message 模式，它还可以将异步模式转换为同步模式。异步编程虽然近几年取得了长足发展，但是异步的思维模式对于普通人来讲毕竟是有难度的，只有线性的思维模式才是适合所有人的。而线性的思维模式反映到编程世界，就是同步。
在 Java 里使用多线程并发地处理 I/O，基本上用的都是异步非阻塞模型，这种模型的异步主要是靠注册回调函数实现的，那能否都使用同步处理呢？显然是不能的。因为同步意味着等待，而线程等待，本质上就是一种严重的浪费。不过对于协程来说，等待的成本就没有那么高了，所以基于协程实现同步非阻塞是一个可行的方案。
OpenResty 里实现的 cosocket 就是一种同步非阻塞方案，借助 cosocket 我们可以用线性的思维模式来编写非阻塞的程序。下面的示例代码是用 cosocket 实现的 socket 程序的客户端，建立连接、发送请求、读取响应所有的操作都是同步的，由于 cosocket 本身是非阻塞的，所以这些操作虽然是同步的，但是并不会阻塞。
-- 创建socket
local sock = ngx.socket.tcp()
-- 设置socket超时时间
sock:settimeouts(connect_timeout, send_timeout, read_timeout)
-- 连接到目标地址
local ok, err = sock:connect(host, port)
if not ok then
- -- 省略异常处理
end
-- 发送请求
local bytes, err = sock:send(request_data)
if not bytes then
-- 省略异常处理
end
-- 读取响应
local line, err = sock:receive()
if err then
-- 省略异常处理
end
-- 关闭socket
sock:close()
-- 处理读取到的数据line
handle(line)

结构化并发编程

Golang 中的 go 语句让协程用起来太简单了，但是这种简单也蕴藏着风险。要深入了解这个风险是什么，就需要先了解一下 goto 语句的前世今生。
在我上学的时候，各种各样的编程语言书籍中都会谈到不建议使用 goto 语句，原因是 goto 语句会让程序变得混乱，当时对于这个问题我也没有多想，不建议用那就不用了。那为什么 goto 语句会让程序变得混乱呢？混乱具体指的又是什么呢？多年之后，我才了解到所谓的混乱指的是代码的书写顺序和执行顺序不一致。代码的书写顺序，代表的是我们的思维过程，如果思维的过程与代码执行的顺序不一致，那就会干扰我们对代码的理解。我们的思维是线性的，傻傻地一条道儿跑到黑，而 goto 语句太灵活，随时可以穿越时空，实在是太“混乱”了。
首先发现 goto 语句是“毒药”的人是著名的计算机科学家艾兹格·迪科斯彻（Edsger Dijkstra），同时他还提出了结构化程序设计。在结构化程序设计中，可以使用三种基本控制结构来代替 goto，这三种基本的控制结构就是今天我们广泛使用的顺序结构、选择结构和循环结构。
顺序结构
选择结构
循环结构（while）
循环结构（do while）
这三种基本的控制结构奠定了今天高级语言的基础，如果仔细观察这三种结构，你会发现它们的入口和出口只有一个，这意味它们是可组合的，而且组合起来一定是线性的，整体来看，代码的书写顺序和执行顺序也是一致的。
我们以前写的并发程序，是否违背了结构化程序设计呢？这个问题以前并没有被关注，但是最近两年，随着并发编程的快速发展，已经开始有人关注了，而且剑指 Golang 中的 go 语句，指其为“毒药”，类比的是 goto 语句。详情可以参考相关的文章。
Golang 中的 go 语句不过是快速创建协程的方法而已，这篇文章本质上并不仅仅在批判 Golang 中的 go 语句，而是在批判开启新的线程（或者协程）异步执行这种粗糙的做法，违背了结构化程序设计，Java 语言其实也在其列。
当开启一个新的线程时，程序会并行地出现两个分支，主线程一个分支，子线程一个分支，这两个分支很多情况下都是天各一方、永不相见。而结构化的程序，可以有分支，但是最终一定要汇聚，不能有多个出口，因为只有这样它们组合起来才是线性的。

总结

最近几年支持协程的开发语言越来越多了，Java OpenSDK 中 Loom 项目的目标就是支持协程，相信不久的将来，Java 程序员也可以使用协程来解决并发问题了。
计算机里很多面向开发人员的技术，大多数都是在解决一个问题：易用性。协程作为一项并发编程技术，本质上也不过是解决并发工具的易用性问题而已。对于易用性，我觉得最重要的就是要适应我们的思维模式，在工作的前几年，我并没有怎么关注它，但是最近几年思维模式已成为我重点关注的对象。因为思维模式对工作的很多方面都会产生影响，例如质量。
一个软件产品是否能够活下去，从质量的角度看，最核心的就是代码写得好。那什么样的代码是好代码呢？我觉得，最根本的是可读性好。可读性好的代码，意味着大家都可以上手，而且上手后不会大动干戈。那如何让代码的可读性好呢？很简单，换位思考，用大众、普通的思维模式去写代码，而不是炫耀自己的各种设计能力。我觉得好的代码，就像人民的艺术一样，应该是为人民群众服务的，只有根植于广大群众之中，才有生命力。
欢迎在留言区与我分享你的想法，也欢迎你在留言区记录你的思考过程。感谢阅读，如果你觉得这篇文章对你有帮助的话，也欢迎把它分享给更多的朋友。
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赞 31

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 写留言

精选留言(34)

  • 高源
    2019-06-08
    王老师请教一下现在多数互联网公司后台都采用go语言开发了，学习go语言是不是也很有必要了，还是根据应用场景或者工作的实际情况来看啊。

    作者回复: 看你时间了，最好要实践，如果公司没这样的项目，建议参与一个质量不错的开源的项目，一定要实践

    共 5 条评论
    29
  • 海水
    2019-06-08
    王老师好，有个问题请教下，公司支付接口调用的三方接口，这个三方接口秒级的耗时，如果想提高并发单单提高tomcat线程数或者该用异步sevlet是不是解决不了问题？我感觉这种情况应该是不是应该用协程比如go routine这样的才能解决这样的并发场景？毕竟三方接口的耗时省不了

    作者回复: 你可以试试基于netty的http客户端，再加上异步servlet试试。这俩必须一起用才有效果

    共 3 条评论
    17
  • 艾斯曼
    2020-03-22
    ”在 Java 里使用多线程并发地处理 I/O，基本上用的都是异步非阻塞模型，这种模型的异步主要是靠注册回调函数实现的，那能否都使用同步处理呢？显然是不能的。因为同步意味着等待，而线程等待，本质上就是一种严重的浪费。“ 老师您好，Java中Netty使用的是非阻塞+IO多路复用，这个应该属于同步IO还是异步IO？我的理解是这个属于同步IO，异步IO在windows上是IOCP，在linux其实AIO相关的API对socket不支持样，所以linux都是使用epoll+非阻塞的同步IO。不知道我这样理解是否正确？谢谢
    展开

    作者回复: 在操作系统层面看，你的理解是对的。语言，框架层面还会再封装，这个封装会改变同步，异步。底层都是epoll，封装后可能是异步形式，也可能是同步形式

    共 2 条评论
    12
  • windy
    2019-06-10
    关注老师专栏有一段时间了，老师讲解通俗易懂，涉猎的知识面很广。讲解某个知识点首先说明由来，背后理论，然后展开脉络进行剖析，如何应用到实践中，学以致用。在此送上感谢！

    作者回复: 客气了，你觉得还有用，我心里就踏实了，我就怕讲不明白

    9
  • DFighting
    2019-10-17
    很赞同老师最后提到的软件产品开发，任何需要协作和迭代的事物都需要遵从基本的规范和规则，不然再牛叉的技术只能孤芳自赏，给产品带来的只有灾难。

    作者回复: 👍

    8
  • 代码饲养员
    2021-01-11
    操作系统层面的进程、线程、协程这些理论知识要深入的话 有什么书或者材料推荐吗
    6
  • the geek
    2019-06-08
    哈哈，本来是上来复习一下，结果新冒出了一章46/45

    作者回复: 早知道这么想，我就收工了😂😂

    6
  • 搏未来
    2019-06-08
    能写出易于理解的代码也是一种能力😁
    共 1 条评论
    6
  • Geek_b38ae5
    2021-05-09
    同步是针对几个线程，才会有协调。 而阻塞是针对单个线程把线程，放进线程阻塞队列里面吗？

    作者回复: 阻塞本质上是操作系统将线程状态变成阻塞，剥夺线程的CPU使用权，线程只有被唤醒(状态变为可执行)后，操作系统才会重新调度执行他

    2
  • Boomkeeper
    2020-06-01
    老师好，请问协程也是不是有加锁的场景

    作者回复: 有

    2
  • feihui
    2020-01-25
    文中“在 Java 里使用多线程并发地处理 I/O，基本上用的都是异步非阻塞模型” 像我们熟悉的 NIO 应该是同步非阻塞吧，现在 Linux 上 AIO 都还不尽完善
    共 1 条评论
    2
  • Liam
    2019-06-09
    cosocket的非阻塞体现在哪里呢，是说receive等方法是非阻塞方法吗？

    作者回复: 是的

    共 3 条评论
    2
  • zhangtnty
    2019-06-08
    王老师好，很赞同总结中讲的代码质量的看法。我认为好的项目不仅功能强大, 代码结构清晰非常重要, 好的代码结构一定和业务如出一辙，而不是过多的花式代码，总给人一种练手的感觉。

    作者回复: 代码结构和业务匹配太重要了👍

    3
  • 代码饲养员
    2021-01-11
    进程，线程，协程在系统层面和语言层面分别有什么命令或者图形分析监控工具
    1
  • 笨小孩
    2020-07-21
    老师您好，我想问一下就是内核他与用户态，为什么协程的用户态性能更加优越，能帮我讲解讲解吗？

    作者回复: 内核态用户态之间切换有成本，可以看看操作系统的系统调用和线程切换相关内容

    1
  • kimoti
    2020-06-01
    go语句够简单了,还批判？多线程的本质就是要并发执行,没办法汇聚啊
    1
  • 湮汐
    2020-05-22
    Java中已经有支持协程的类库，但是为啥这个并没有广泛使用，而且也没有纳入到官方jdk源码里面呢？是因为稳定性不够好吗？
    1
  • RRR
    2020-04-13
    看来 erlang 的 actor 才是解决并发最优雅的方式
    1
  • Chuan
    2020-02-13
    老师，请教下，不同协程间通信、访问共享变量时如何协调控制呢？
    1
  • JK-舒玉强
    2019-11-26
    很喜欢王老师的课程，怎么才能够变得跟老师一样厉害呢？

    作者回复: 我只是把它们总结出来而已，并不厉害😂

    1