进程、线程、协程的上下文切换

进程（Process）

一、是什么？
进程是操作系统分配资源（CPU、内存、I/O等）的基本单位。每个进程拥有独立的虚拟地址空间、文件描述符和安全上下文，相当于一个独立的应用程序实例（如运行中的浏览器或Java程序）。

二、解决什么问题
解决多任务并行执行的需求，实现程序间的隔离性（一个进程崩溃不会影响其他进程），同时管理硬件资源（如CPU、内存）的分配。

三、上下文内容

内存映射：虚拟地址空间（代码、数据、堆栈）
硬件状态：CPU寄存器值（PC、SP等）
系统资源：打开的文件描述符、网络端口、权限信息
进程控制块（PCB）：操作系统维护的元数据（进程ID、状态、优先级）

四、切换时的具体过程

保存上下文：CPU将当前进程的寄存器状态（程序计数器、栈指针等）、内存管理单元（MMU）信息保存到进程控制块（PCB）中。
更新调度队列：操作系统将当前进程移出运行队列，根据调度算法（如轮询、优先级）选择下一个进程。
加载新上下文：从新进程的PCB中恢复寄存器状态和MMU配置（切换虚拟地址空间）。
刷新缓存：清空TLB（快表）避免地址冲突，可能导致性能下降。
权限检查：切换内核态/用户态（如果需要）。
耗时：通常需要几微秒到毫秒级，涉及两次内核态切换（保存旧进程 + 加载新进程）。

五、应用场景

运行独立应用程序（如同时启动IDE和数据库）
需要高隔离性的任务（如安全沙箱）
利用多核CPU的并行计算

线程（Thread）

一、是什么？
线程是进程内的执行单元，共享进程的内存和资源（堆、文件句柄），但拥有独立的栈和寄存器。一个进程可包含多个线程（如Java中的Thread类）。

二、解决什么问题
解决进程内并发执行的效率问题：

更轻量级切换（共享内存，无需切换地址空间）
更低通信成本（通过共享内存而非IPC）
更细粒度的任务并行

三、上下文内容

线程私有：栈、程序计数器（PC）、寄存器值
线程共享：进程的堆、全局变量、静态变量
线程控制块（TCB）：线程ID、状态、优先级（Java通过java.lang.Thread类管理）

四、切换时的具体过程

保存上下文：CPU保存当前线程的寄存器状态（程序计数器、栈指针等）到线程控制块（TCB）。
调度选择：操作系统（或JVM）从就绪队列选择同一进程内的下一个线程。
加载新上下文：从TCB恢复新线程的寄存器状态。
无需切换地址空间：线程共享进程的虚拟地址空间，跳过MMU/TLB刷新。
耗时：通常1-10微秒，比进程切换快10倍以上（因无需内存空间切换）。

五、应用场景

Web服务器处理并发请求（如Tomcat线程池）
GUI应用保持界面响应（后台线程处理任务）
并行计算（如Java的ForkJoinPool）

五、Java示例

java

// JDK21+ 虚拟线程（轻量级线程实现）
Thread virtualThread = Thread.startVirtualThread(() -> {
    System.out.println("Running in virtual thread!");
});

协程（Coroutine）

一、是什么？
协程是用户态的轻量级线程，由程序自身调度（非操作系统），在单线程内实现多任务切换。Java中通过Project Loom的虚拟线程（JDK19+）原生支持。

二、解决什么问题
解决传统线程的瓶颈：

消除内核态切换开销（完全在用户态调度）
支持超高并发（单机可创建百万级协程）
简化异步代码（用同步写法实现异步逻辑）

三、上下文内容

栈帧：仅保存当前方法的局部变量和返回地址
寄存器快照：PC、栈指针等少量寄存器
挂起点状态：暂停时的代码位置和变量值（通过Continuation保存）

四、切换时的具体过程

主动让出控制权：协程通过yield()主动暂停，保存当前栈帧和寄存器状态到堆内存。
调度器选择：用户级调度器（如JVM的ForkJoinPool）选择下一个可运行协程。
恢复执行：从堆中加载目标协程的上下文到当前线程栈。
无系统调用：全程在用户态完成，无内核参与。
耗时：纳秒级，比线程切换快100倍以上。

五、应用场景

高并发IO密集型服务（如10万+连接的微服务）
响应式编程（如Spring WebFlux）
游戏服务器（处理大量玩家状态）

六、Java示例（JDK21）

java

try (var executor = Executors.newVirtualThreadPerTaskExecutor()) {
    executor.submit(() -> {
        System.out.println("Virtual thread 1");
        Thread.yield(); // 主动让出控制权
    });
    executor.submit(() -> System.out.println("Virtual thread 2"));
}

三者的核心区别

特性	进程	线程	协程（虚拟线程）
隔离性	高（独立内存空间）	中（共享进程内存）	低（共享线程栈）
切换开销	高（μs~ms级）	中（μs级）	极低（ns级）
切换者	操作系统内核	操作系统内核	用户程序/JVM
并发量	数百个	数千个	百万级
内存占用	MB级	KB级	KB级（可浮动栈）
Java支持	`ProcessBuilder`	`java.lang.Thread`	`java.lang.VirtualThread`（JDK19+）

重要注意事项

协程适用场景：协程在IO密集型任务中优势显著，但CPU密集型任务仍需传统线程利用多核。
虚拟线程限制：JDK虚拟线程中，synchronized可能阻塞载体线程，应改用ReentrantLock。
进程间通信：进程需IPC（管道/Socket），线程用共享内存，协程直接共享对象引用。
调试难度：协程的异步特性可能增加调试复杂度（需IDE支持虚拟线程调试）。

总结

进程：资源隔离的基石，适合独立应用，切换开销最大。
线程：进程内并发的核心，平衡开销与效率，需注意线程安全。
协程（虚拟线程）：JDK19+的革命性特性，用同步代码实现异步性能，彻底解决"线程饥饿"问题。

演进趋势：现代Java开发中，虚拟线程正逐步替代线程池（如ExecutorService），成为高并发服务的首选方案。其设计哲学是："用线程的写法，获协程的性能"。

进程、线程、协程的上下文切换 ​

进程（Process） ​

线程（Thread） ​

协程（Coroutine） ​

三者的核心区别 ​

重要注意事项 ​

总结 ​

进程、线程、协程的上下文切换

进程（Process）

线程（Thread）

协程（Coroutine）

三者的核心区别

重要注意事项

总结