一文快速了解進(jìn)程、線程與協(xié)程
進(jìn)程與線程
進(jìn)程是操作系統(tǒng)進(jìn)行資源分配的基本單位，每個進(jìn)程都有自己的獨立內(nèi)存空間。由于進(jìn)程比較重量，占據(jù)獨立的內(nèi)存，所以上下文進(jìn)程間的切換開銷（棧、寄存器、虛擬內(nèi)存、文件句柄等）比較大，但相對比較穩(wěn)定安全。
線程又叫做輕量級進(jìn)程，是進(jìn)程的一個實體，是處理器任務(wù)調(diào)度和執(zhí)行的基本單位位。它是比進(jìn)程更小的能獨立運行的基本單位。線程只擁有一點在運行中必不可少的資源(如程序計數(shù)器，一組寄存器和棧)，但是它可與同屬一個進(jìn)程的其他的線程共享進(jìn)程所擁有的全部資源。
對于操作系統(tǒng)來說，一個任務(wù)就是一個進(jìn)程（Process）。比如打開一個瀏覽器就是啟動一個瀏覽器進(jìn)程，打開一個記事本就啟動了一個記事本進(jìn)程，打開兩個記事本就啟動了兩個記事本進(jìn)程，打開一個Word就啟動了一個Word進(jìn)程。
有些進(jìn)程還不止同時干一件事，比如Word，它可以同時進(jìn)行打字、拼寫檢查、打印等事情。在一個進(jìn)程內(nèi)部，要同時干多件事，就需要同時運行多個“子任務(wù)”，進(jìn)程內(nèi)的這些“子任務(wù)”稱為線程（Thread）。
由于每個進(jìn)程至少要干一件事，所以，一個進(jìn)程至少有一個線程。當(dāng)然，像Word這種復(fù)雜的進(jìn)程可以有多個線程，多個線程可以同時執(zhí)行，多線程的執(zhí)行方式和多進(jìn)程是一樣的，也是由操作系統(tǒng)在多個線程之間快速切換，讓每個線程都短暫地交替運行，看起來就像同時執(zhí)行一樣。
協(xié)程
協(xié)程，又稱微線程，是一種用戶態(tài)的輕量級線程，協(xié)程的調(diào)度完全由用戶控制（也就是在用戶態(tài)執(zhí)行）。協(xié)程擁有自己的寄存器上下文和棧。協(xié)程調(diào)度切換時，將寄存器上下文和棧保存到線程的堆區(qū)，在切回來的時候，恢復(fù)先前保存的寄存器上下文和棧，直接操作棧則基本沒有內(nèi)核切換的開銷，可以不加鎖的訪問全局變量，所以上下文的切換非常快。
如果對內(nèi)核態(tài)用戶態(tài)不了解的話，可以先看博客《一文理解JVM線程屬于用戶態(tài)還是內(nèi)核態(tài)》
協(xié)程最大的優(yōu)勢就是協(xié)程極高的執(zhí)行效率。因為子程序切換不是線程切換，而是由程序自身控制，因此，沒有線程切換的開銷，和線程切換相比，線程數(shù)量越多，協(xié)程的性能優(yōu)勢就越明顯。不需要多線程的鎖機(jī)制，因為只有一個線程，也不存在同時寫變量沖突，在協(xié)程中控制共享資源不加鎖，只需要判斷狀態(tài)就好了，所以執(zhí)行效率比多線程高很多。此外，一個線程的內(nèi)存在MB級別，而協(xié)程只需要KB級別。
進(jìn)程和線程的區(qū)別
每個線程都是一個輕量級進(jìn)程(Light Weight Process)，都有自己的唯一PID和一個TGID(Thread group ID)。TGID是啟動整個進(jìn)程的thread的PID。
例如，當(dāng)一個進(jìn)程被創(chuàng)建的時候，它其實是一個PID和TGID數(shù)值相同線程。當(dāng)線程A啟動線程B時，線程B會有自己的唯一PID，但它的TGID會從A繼承而來。這樣通過PID線程可以獨立得到調(diào)度，而相同的TGID可以知道哪些線程屬于同一個進(jìn)程，這樣可以共享資源(RAM，虛擬內(nèi)存、文件等)。
線程進(jìn)程的區(qū)別體現(xiàn)在6個方面：
根本區(qū)別：進(jìn)程是操作系統(tǒng)資源分配的基本單位，而線程是處理器任務(wù)調(diào)度和執(zhí)行的基本單位。
資源開銷：每個進(jìn)程都有獨立的代碼和數(shù)據(jù)空間，程序之間的切換會有較大的開銷；線程可以看做輕量級的進(jìn)程，同一進(jìn)程的線程共享代碼和數(shù)據(jù)空間，每個線程都有自己獨立的運行棧和程序計數(shù)器，線程之間切換的開銷小。
包含關(guān)系：如果一個進(jìn)程內(nèi)有多個線程，則執(zhí)行過程不是一條線的，而是多條線（線程）共同完成的。
內(nèi)存分配：同一進(jìn)程的線程共享本進(jìn)程的地址空間和資源，而進(jìn)程之間的地址空間和資源是相互獨立的。
影響關(guān)系：一個進(jìn)程崩潰后，在保護(hù)模式下不會對其他進(jìn)程產(chǎn)生影響，但是一個線程崩潰整個進(jìn)程都死掉。所以多進(jìn)程要比多線程健壯。
執(zhí)行過程：每個獨立的進(jìn)程有程序運行的入口、順序執(zhí)行序列和程序出口。但是線程不能獨立執(zhí)行，必須依存在應(yīng)用程序中，由應(yīng)用程序提供多個線程執(zhí)行控制。兩者均可并發(fā)執(zhí)行。
協(xié)程與線程的區(qū)別
一個線程可以有多個協(xié)程。
大多數(shù)業(yè)務(wù)場景下，線程進(jìn)程可以看做是同步機(jī)制，而協(xié)程則是異步。
線程是搶占式，而協(xié)程是非搶占式的，所以需要用戶代碼釋放使用權(quán)來切換到其他協(xié)程，因此同一時間其實只有一個協(xié)程擁有運行權(quán)，相當(dāng)于單線程的能力。
協(xié)程并不是取代線程，而且抽象于線程之上。線程是被分割的CPU資源, 協(xié)程是組織好的代碼流程, 協(xié)程需要線程來承載運行。
進(jìn)程間的通信方式(IPC)
每個進(jìn)程各自有不同的用戶地址空間，任何一個進(jìn)程的全局變量在另一個進(jìn)程中都看不到，所以進(jìn)程之間要交換數(shù)據(jù)必須通過內(nèi)核，在內(nèi)核中開辟一塊緩沖區(qū)，進(jìn)程1把數(shù)據(jù)從用戶空間拷到內(nèi)核緩沖區(qū)，進(jìn)程2再從內(nèi)核緩沖區(qū)把數(shù)據(jù)讀走，內(nèi)核提供的這種機(jī)制稱為進(jìn)程間通信（IPC，InterProcess Communication）
Linux IPC的主要方式
1.管道(pipe)
管道，通常指無名管道，是UNIX系統(tǒng)IPC最古老的形式。
管道是一種半雙工（即數(shù)據(jù)只能在一個方向上流動）的通信方式，數(shù)據(jù)只能單向流動，而且只能在具有親緣關(guān)系的進(jìn)程間使用。
進(jìn)程的親緣關(guān)系指的是父子進(jìn)程或者兄弟進(jìn)程關(guān)系。
當(dāng)一個管道建立時，它會創(chuàng)建兩個文件描述符：fd[0]為讀而打開，fd[1]為寫而打開。
特點：
面向字節(jié)流，
生命周期隨內(nèi)核。
自帶同步互斥機(jī)制。
半雙工，單向通信，兩個管道實現(xiàn)雙向通信。
2.命名管道(namedpipe)
FIFO，也稱為命名管道，它是一種文件類型，也是半雙工的通信方式。多個進(jìn)程都可以通過一個約定好的名字找到同一個管道。FIFO允許無親緣關(guān)系進(jìn)程間的通信。FIFO的通信方式類似于在進(jìn)程中使用文件來傳輸數(shù)據(jù)，只不過FIFO類型文件同時具有管道的特性。在數(shù)據(jù)讀出時，F(xiàn)IFO管道中同時清除數(shù)據(jù)，并且“先進(jìn)先出”。
3.消息隊列(messagequeue)
消息隊列是由消息的鏈表，存放在內(nèi)核中并由消息隊列標(biāo)識符標(biāo)識。消息隊列克服了信號傳遞信息少、管道只能承載無格式字節(jié)流以及緩沖區(qū)大小受限等缺點。
特點：
消息隊列可以認(rèn)為是一個全局的一個鏈表，鏈表節(jié)點鐘存放著數(shù)據(jù)報的類型和內(nèi)容，有消息隊列的標(biāo)識符進(jìn)行標(biāo)記。
消息隊列允許一個或多個進(jìn)程寫入或者讀取消息。
消息隊列的生命周期隨內(nèi)核。
消息隊列可實現(xiàn)雙向通信。
但是當(dāng)發(fā)送到消息隊列的信息量大或操作頻繁的場合，需要拷貝的時間也就越多，此時可以采用共享內(nèi)存通信。
4.共享內(nèi)存(shared memory)
共享內(nèi)存就是映射一段能被其他進(jìn)程所訪問的內(nèi)存，這段共享內(nèi)存由一個進(jìn)程創(chuàng)建，但多個進(jìn)程都可以訪問。
共享內(nèi)存是最快的IPC方式，它是針對其他進(jìn)程間通信方式運行效率低而專門設(shè)計的。它往往與其他通信機(jī)制（如信號量）配合使用來實現(xiàn)進(jìn)程間的同步和通信。
特點：
不用從用戶態(tài)到內(nèi)核態(tài)的頻繁切換和拷貝數(shù)據(jù)，直接從內(nèi)存中讀取就可以。
共享內(nèi)存是臨界資源，所以需要操作時必須要保證原子性。使用信號量或者互斥鎖都可以。
生命周期隨內(nèi)核。
5.信號量(semophore)
信號量是一個計數(shù)器，可以用來控制多個進(jìn)程對共享資源的訪問。它常作為一種鎖機(jī)制，防止某進(jìn)程正在訪問共享資源時，其他進(jìn)程也訪問該資源。因此，主要作為進(jìn)程間以及同一進(jìn)程內(nèi)不同線程之間的同步手段。
信號量主要實現(xiàn)進(jìn)程之間的同步和互斥，而不是存儲通信內(nèi)容。
信號量定義了兩種操作，p操作和v操作，p操作為申請資源，會將數(shù)值減去M，表示這部分被他使用了，其他進(jìn)程暫時不能用。v操作是歸還資源操作，告知歸還了資源可以用這部分。
6.信號(signal)
信號是軟件中斷產(chǎn)生，用于進(jìn)程間異步傳遞信息。信號可以用來直接進(jìn)行用戶空間進(jìn)程和內(nèi)核進(jìn)程之間的交互，內(nèi)核進(jìn)程也可以利用它來通知用戶空間進(jìn)程發(fā)生了哪些系統(tǒng)事件。
一般在shell中操作，進(jìn)程獲取信號進(jìn)行處理，一共有64種信號，在shell中輸入 kill -l 可查閱
7.套接字(socket)
套接字（有的時候被譯為插座）也是一種進(jìn)程間通信機(jī)制，與其他通信機(jī)制不同的是，套接字允許兩個進(jìn)程進(jìn)行通訊，這兩個進(jìn)程可能運行在同一個機(jī)器上，也可能運行在不同機(jī)器上。
相對于共享內(nèi)存可以多對多的讀取與寫入，套接字只能一對一。此外由于序列化等操作占用大量資源，相對于共享內(nèi)存，套接字更適合傳輸少量數(shù)據(jù)。
進(jìn)程通信方式總結(jié)
管道：速度慢，容量有限，只有父子進(jìn)程能通訊
命名管道：任何進(jìn)程間都能通訊，但速度慢
消息隊列：容量受到系統(tǒng)限制，且要注意第一次讀的時候，要考慮上一次沒有讀完數(shù)據(jù)的問題
共享內(nèi)存：能夠很容易控制容量，速度快，但要保持同步，比如一個進(jìn)程在寫的時候，另一個進(jìn)程要注意讀寫的問題，相當(dāng)于線程中的線程安全問題。
信號量：不能傳遞復(fù)雜消息，只能用來同步。
信號：用于通知接收進(jìn)程某個事件已經(jīng)發(fā)生。
套接字：可用于不同機(jī)器之間的進(jìn)程間通信。
線程間的通信方式
鎖(Lock)
鎖機(jī)制包括互斥鎖、條件變量、讀寫鎖。
互斥鎖提供了以排他方式防止數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)被并發(fā)修改的方法。
讀寫鎖允許多個線程同時讀共享數(shù)據(jù)，而對寫操作是互斥的。
條件變量可以以原子的方式阻塞進(jìn)程，直到某個特定條件為真為止。對條件的測試是在互斥鎖的保護(hù)下進(jìn)行的。條件變量始終與互斥鎖一起使用。
有關(guān)Java的鎖機(jī)制，可以點擊查看《詳解Java多線程鎖之synchronized》和《詳解Java多線程鎖之Lock和ReadWriteLock》
有關(guān)條件變量，可以點擊查看《Java多線程的可見性與有序性》中有關(guān)volatile的講解。
信號量(Semaphore)
可以查看這篇博客《快速了解基于AQS實現(xiàn)的Java并發(fā)工具類》中有關(guān)Semaphore的講解，感受下信號量如何在java線程通信中的使用。
信號(Signal)
可以查看這篇博客：《徹底搞懂Java的等待-通知(wait-notify)機(jī)制》
協(xié)程間的通信方式
與線程不同，協(xié)程使用程序自定義的調(diào)度器進(jìn)行調(diào)度，因此更容易控制協(xié)程之間的執(zhí)行順序，要想充分利用協(xié)程的調(diào)度模型，有一個完備的通信機(jī)制是很重要的。它主要應(yīng)該有以下的功能：
能從一個協(xié)程發(fā)送消息到另一個協(xié)程，通知另一個協(xié)程特定的事件已經(jīng)發(fā)生。
能夠讓協(xié)程在事件未發(fā)生之前掛起，等待事件發(fā)生后被調(diào)度并處理，從而有效讓出CPU時間。
能夠在消息中附帶相應(yīng)的數(shù)據(jù)。
能完成這樣任務(wù)的模型很多，原理也不盡相同，但思路其實和線程的通信方式大體相同，這里以后再單獨講解。
補(bǔ)充
Nginx的進(jìn)程通信有哪些
Nginx的進(jìn)程通信分為三種類別：linux系統(tǒng)與Nginx通信（信號），master進(jìn)程與worker進(jìn)程通信（套接字），worker進(jìn)程間通信（共享內(nèi)存）。
linux系統(tǒng)與Nginx通信
答：linux系統(tǒng)與Nginx是通過信號進(jìn)行通信的，通過信號控制Nginx重啟、關(guān)閉以及加載配置文件等。比如：./nginx –s quit 向master進(jìn)程發(fā)送信號。master進(jìn)程與worker進(jìn)程通信
答：master在fork worker進(jìn)程前，先調(diào)用socketpair，創(chuàng)建一個socket對用來master與worker進(jìn)程間的通信。這個socket就是一個元素個數(shù)為2的數(shù)組channel，channel[0]用于master進(jìn)程寫入，channel[1]用于worker進(jìn)程讀入。worker進(jìn)程間通信
答：共享內(nèi)存是最快的通信方式，是worker進(jìn)程之間的通信方式。使用共享內(nèi)存的好處是當(dāng)多個進(jìn)程使用同一塊共享內(nèi)存時，在任何一個進(jìn)程修改了共享內(nèi)存中的內(nèi)容后，其他進(jìn)程通過訪問這段共享內(nèi)存都能夠得到修改后的內(nèi)容。
進(jìn)程七態(tài)
各種狀態(tài)的意義：
創(chuàng)建態(tài)：進(jìn)程正在被創(chuàng)建。
就緒態(tài)：可運行，但因為其他進(jìn)程正在運行而暫時停止。
運行態(tài)：正在占用CPU。
結(jié)束態(tài)：進(jìn)程正在從系統(tǒng)中消失。
阻塞狀態(tài)：該進(jìn)程等待某個事件（比如IO讀取）而停止運行，此時即使有CPU時間片也無法繼續(xù)運行。
狀態(tài)變化事件：
NULL => 創(chuàng)建態(tài)：一個進(jìn)程被創(chuàng)建時的第一個狀態(tài)。
創(chuàng)建態(tài) => 就緒態(tài)：當(dāng)進(jìn)程創(chuàng)建完成，進(jìn)入就緒態(tài)。
就緒態(tài) => 運行態(tài)：CPU從就緒隊列選擇進(jìn)程執(zhí)行，進(jìn)入運行態(tài)。
運行態(tài) => 結(jié)束態(tài)：當(dāng)進(jìn)程已經(jīng)運行完成或出錯時，進(jìn)入結(jié)束態(tài)。
運行態(tài) => 就緒態(tài)：分配給進(jìn)程的時間片使用完，進(jìn)入就緒態(tài)。
運行態(tài) => 阻塞狀態(tài)：進(jìn)程執(zhí)行等待事件，進(jìn)入阻塞態(tài)。
阻塞狀態(tài) => 就緒態(tài)：進(jìn)程事件完成，CPU收到中斷信號，進(jìn)入就緒態(tài)。
進(jìn)程狀態(tài)變化中，還有一種狀態(tài)叫掛起態(tài)，掛起態(tài)代表該進(jìn)程沒有占用內(nèi)存空間，這跟阻塞狀態(tài)是不一樣。
掛起和阻塞的區(qū)別：
掛起是一個行為，而阻塞是進(jìn)程的一種狀態(tài)。
進(jìn)程存放的位置不同：掛起是將進(jìn)程移到外存中，而處于阻塞狀態(tài)的進(jìn)程還是在內(nèi)存中。
原因不同：導(dǎo)致進(jìn)程被掛起的原因一般是內(nèi)存不足或者是系統(tǒng)、用戶的請求，協(xié)調(diào)、修改進(jìn)程，研究進(jìn)程的狀態(tài)等，進(jìn)程阻塞是進(jìn)程正在等待某一事件發(fā)生，可能是等待資源或者響應(yīng)等（eg.等待I/O完成等）而暫時停止運行。
掛起對應(yīng)的行為是激活，將外存中的進(jìn)程調(diào)入內(nèi)存中。而處于阻塞狀態(tài)的進(jìn)程需要其他進(jìn)程或系統(tǒng)喚醒。
掛起是被動的行為，進(jìn)程被迫從內(nèi)存中移至外存中。而進(jìn)入阻塞可以看成是一個主動的行為（eg.進(jìn)程I/O時，進(jìn)程在等待I/O設(shè)備完成時，進(jìn)程主動進(jìn)入阻塞狀態(tài)，I/O完成，進(jìn)程被激活）
掛起態(tài)可以分為下面兩種：
阻塞掛起狀態(tài)：進(jìn)程在外存（磁盤）并等待某個事件的出現(xiàn)。
就緒掛起狀態(tài)：進(jìn)程在外存（磁盤）激活后進(jìn)入就緒態(tài)。
參考文檔：
《深入理解計算機(jī)系統(tǒng)》
《深入理解Nginx》