并发编程核心概念详解：进程、线程与协程的本质与差异

目录

 一、什么是进程？

1.1 定义

1.2 进程的特点

 1.3 进程的状态

 二、什么是线程？

2.1 定义

2.2 线程的优缺点

2.3 进程和线程之间的区别和联系

三、什么是协程？

 3.1 定义

3.2 与多线程相比，协程的优势

 3.3 与虚拟线程的关键区别

 

3.4 代码示例（python）

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        进程（Process）：是资源分配的最小单位，一个进程可以有多个线程，多个线程共享进程的堆和方法区资源，不共享栈、程序计数器。

        线程（Thread）：是任务调度和执行的最小单位，线程并行执行存在资源竞争和上下文切换的问题。

        协程（Coroutine）：是一种比线程更加轻量级的存在，正如一个进程可以拥有多个线程一样，一个线程可以拥有多个协程。

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 一、什么是进程？

1.1 定义

        打开微信会产生一个进程，打开QQ会产生一个进程，电脑上运行的程序都是进程。

        直观点说，保存在硬盘上的程序运行以后，会在内存空间里形成一个独立的内存体，这个内存体有自己独立的地址空间，有自己的堆，上级挂靠单位是操作系统。操作系统会以进程为单位，分配系统资源（CPU时间片、内存等资源），进程是资源分配的最小单位。

        进程之间无法直接访问彼此的资源。

1.2 进程的特点

• 独立性：每个进程都有自己的地址空间，彼此独立，互不影响。
• 资源分配单元：操作系统为每个进程分配资源，如内存、文件句柄等。
• 隔离性：进程之间的通信需要借助操作系统提供的进程间通信（IPC）机制，如管道、消息队列、共享内存等。  一个进程的错误不会影响其他进程的稳定性。

 管道：

        管道是操作系统中最古老、最基础的 IPC 机制，本质是一个在内核中创建的临时缓冲区，用于实现两个进程之间的单向数据传输。它的工作方式类似日常生活中的 “水管”：一个进程作为 “写入端” 向管道发送数据，另一个进程作为 “读取端” 从管道接收数据，数据按照先进先出（FIFO）的顺序流动。

消息队列：

        消息队列是一种更高级的 IPC 机制，它在 kernel 中创建一个具有标识符的消息链表，允许进程按 “消息” 为单位发送和接收数据。与管道的字节流不同，消息队列中的每个数据单元是结构化的 “消息”，包含消息类型和数据内容两部分，接收进程可根据消息类型选择性读取，实现按类型分拣数据的功能。   类似邮局的邮件处理。

• 管道适合简单的单向数据传输，如命令行管道、父子进程的临时数据交换，尤其适合传输连续的字节流（如日志输出、数据备份）；​

• 消息队列适合需要按类型区分数据、异步通信或跨无亲缘关系进程的场景，如分布式系统中的模块协作、多任务调度系统的任务分发等。

 1.3 进程的状态

进程通常有以下几种状态：

• 创建（New）：进程刚被创建，由于其他进程正占有CPU所以得不到执行，只能处于初始状态。
• 就绪（Ready）：只有处于就绪状态的经过调度才能到执行状态。
• 运行（Running）：进程正在执行。
• 阻塞（Blocked）：进程等待某个事件（如I/O操作）完成。这时，即使给它CPU控制权，它也无法运行。
• 终止（Terminated）：进程执行完毕或被强制结束。

 

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 二、什么是线程？

2.1 定义

        线程，有时被称为轻量级进程(Lightweight Process，LWP），是操作系统调度（CPU调度）执行的最小单位。

         一个进程可以包含多个线程，它们共享进程的资源，如内存、文件句柄等，但有自己的栈和寄存器，这样可以确保线程的控制流是相对独立的。

2.2 线程的优缺点

①优点：

• 一个进程中可以同时存在多个线程
• 让进程具备多任务并行处理能力
• 同进程下的各个线程之间可以共享进程资源 （同进程内的多线程通信十分简单高效）
• 更轻量与高效

②缺点：

• 因为进程资源共享，所以会产生资源竞争，需要通过锁机制来协同
• 当进程中的一个线程奔溃时，会导致其所属进程的所有线程奔溃（一般游戏的用户设计不会采用多线程方式）

2.3 进程和线程之间的区别和联系

①区别：

• 调度：线程作为调度和分配的基本单位，进程作为拥有资源的基本单位；

• 并发性：不仅进程之间可以并发执行，同一个进程的多个线程之间也可并发执行；

• 资源：进程拥有一个完整的资源平台，而线程只独享必不可少的资源，如寄存器和栈；

• 系统开销：在创建或撤消进程时，由于系统都要为之分配和回收资源，导致系统的开销明显大于创建或撤消线程时的开销。但是进程有独立的地址空间，一个进程崩溃后，在保护模式下不会对其它进程产生影响，而线程只是一个进程中的不同执行路径。进程有自己的堆栈和局部变量，但线程之间没有单独的地址空间，一个进程死掉就等于所有的线程死掉，所以多进程的程序要比多线程的程序健壮，但在进程切换时，耗费资源较大，效率要差一些。

 ②联系：

• 一个线程只能属于一个进程，而一个进程可以有多个线程，但至少有一个线程；

• 资源分配给进程，同一进程的所有线程共享该进程的所有资源；

• 处理机分给线程，即真正在处理机上运行的是线程；

• 线程在执行过程中，需要协作同步。不同进程的线程间要利用消息通信的办法实现同步。

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三、什么是协程？

 3.1 定义

        协程，又称微线程或纤程，是一种用户态的轻量级线程，完全由用户程序（而非操作系统内核）控制调度。它不像进程那样拥有独立的内存空间，也不像线程那样需要操作系统进行调度切换。

        它依赖 “协作式调度” 机制：一个协程需要主动通过yield、await等关键字让出 CPU，其他协程才能获得执行机会。
        协程通常运行在单一线程内，共享该线程的内存资源，因此创建和切换成本极低（无需内核态上下文切换），适合在有限资源下实现高并发（如单线程内创建数万协程）。

3.2 与多线程相比，协程的优势

        ①极高的执行效率：

                因为子程序切换不是线程切换，而是由程序自身控制，因此，没有线程切换的开销，和多线程比，线程数量越多，协程的性能优势就越明显；

        ②不需要多线程的锁机制：

                因为只有一个线程，也不存在同时写变量冲突，在协程中控制共享资源不加锁，只需要判断状态就好了，所以执行效率比多线程高很多。

 3.3 与虚拟线程的关键区别

维度	协程（Coroutine）	虚拟线程（Virtual Thread）
调度机制	协作式调度：需主动yield/await让出 CPU	抢占式调度：JVM 可强制切换虚拟线程（类似 OS 线程）
与线程的关系	运行在单一线程内，共享线程资源	依赖载体线程（OS 线程）执行，可动态绑定不同载体线程
编程模型	需显式使用async/await等语法标记切换点	兼容传统线程 API（如Runnable、Thread），无需修改代码
语言依赖	依赖编程语言原生支持（如 Python、Go、Kotlin）	主要由 Java JVM 实现，是 JVM 层面的抽象
阻塞处理	若协程内存在阻塞调用（如同步 IO），会阻塞整个线程	虚拟线程的阻塞会被 JVM “翻译” 为非阻塞操作，不阻塞载体线程

3.4 代码示例（python）

import asyncio# 定义第一个协程函数
async def coroutine_1():for i in range(5):print(f"协程1: 输出 {i}")# 让出控制权，允许其他协程执行await asyncio.sleep(0.2)# 定义第二个协程函数
async def coroutine_2():for i in range(5):print(f"协程2: 输出 {i}")# 让出控制权，允许其他协程执行await asyncio.sleep(0.1)# 主函数，并发运行两个协程async def main():# 创建两个协程任务task1 = asyncio.create_task(coroutine_1())task2 = asyncio.create_task(coroutine_2())# 等待两个任务都完成await asyncio.gather(task1, task2)# 运行主函数
asyncio.run(main())

await asyncio.sleep(0.1)让出 CPU 控制权

asyncio.create_task()创建可并发执行的任务

asyncio.gather()等待所有任务完成

        协程在子程序内部是可中断的，然后转而执行别的子程序，在适当的时候再返回来接着执行。