线程进程协程1——计算机基础

线程进程和协程是计算机领域非常重要的知识，也是面试中的常考点。

这个系列的文章，我将由浅入深，把这块的知识点逐一击破，同时，我会尽可能的通过代码，来对重要知识点进行模拟。

当然，由于笔者能力有限，也许会对一些概念的理解有失偏颇，欢迎讨论交流。

计算机组成原理

在进入线程进程和协程之前，我觉得有必要先对计算机基础知识做一个回顾，万丈高楼平地起。

冯诺依曼体系

冯诺依曼体系把计算机抽象成五大核心部件，也即是前面提到的存储器、运算器、控制器、输入设备、输出设备。此后，便奠定了现代计算机的基础，到今天虽然计算机经历了翻天覆地的变化，但本质上来讲，今天的计算机依然属于冯诺依曼计算机。

具体来讲：

• 存储器，负责数据的存储。有内存、磁盘、SSD，这三个设备，其中内存、磁盘、SSD三者速度、价格等特性各不相同，各司其职。
• 运算器，负责数据的运算。主要有CPU、显卡。其中CPU负责常规运算，显卡专注于3D、图形矩阵的运算。
• 控制器，负责计算机运行的总协调。主要是CPU，CPU除了负责常规运算以外，还负责计算机运行的总控制，让计算机各个部件可以协调、有序不紊的运行。
• 输入设备，负责接收数据的输入。主要是键盘、鼠标，分别接受字符输入和图形输入。
• 输出设备，负责计算机运算结果的输出。主要是显示器、音箱，显示器负责视频内容的输出，音箱负责声频内容的输出。

CPU

CPU主要由三个部分组成，控制器、运算器和高速缓存。

控制器负责协调和控制计算机各个部件有序不紊的运行。在控制器的内部，又有程序计数器、指令译码器、时序发生器等各司其职。

运算器主要负责数据的运算加工，ALU是运算器的核心部件，平时使用的加减乘除、与或非、移位等操作，都发生在运算器。

高速缓存是存在于CPU内部的高速存储器，在CPU工作的过程当中，CPU也需要空间来存储数据，如果每次存储都需要和内存打交道的话，将会极大的降低CPU的性能，所以在CPU内部，也会集成一些存储器，也称为寄存器，它的读写速度远大于内存。

存储器

在计算机的硬件设备中，内存、磁盘、SSD以及CPU内部的高速缓存等，从功能上来讲都属于存储器。

根据位价、速度的不同，可以把存储器划分为三个层次：高速缓存-主存-辅存。

高速缓存典型的特点就是位价高，并且速度快，它是为了适应CPU的运算速度而设计的存储器，拥有极高的读写速度，对应的位价也是最高的，因此容量一般较小，一般以MB为单位。

主存相比高速缓存，位价适中、速度适中，它的存在是为了解决CPU高速缓存容量不足的问题，有了主存，当CPU在运算过程中从高速缓存中找不到需要的数据时，也可以比较快速的从主存中找到，避免从磁盘中加载，这将会花费很长的CPU时间。

辅存指的就是机械硬盘、SSD等外围存储设备，辅存也叫做辅助存储，它是容量最大、读写速度最慢、位价最低的一种存储器，在使用计算机的过程中，可以把大量的暂时不会用到的数据存储在辅存上。

操作系统

操作系统的内容比较多，为了防止本文篇幅过长，我选一些重点的知识概念进行介绍。

用户态和内核态

用户态的程序工作在用户空间，用户空间指的是存放用户代码程序和数据的存储空间，它是一个虚拟空间。

处于用户态的程序有以下几个特点：

• 进程只能执行用户自己的代码
• CPU在特权级最低的用户代码中运行
• CPU只能访问有限的内存
• 程序不允许访问外围设备，如：磁盘、网卡等

与用户态对应是内核态，内核态的程序运行在内核空间，内核空间指的是存放内核代码程序和数据的存储空间，它也是一个虚拟空间。当用户状态的进程通过执行系统调用，就进入内核代码执行，这个时候进程就处于内核态。

处于内核态的程序有以下几个特点：

• CPU处于特权级最高的内核代码中执行
• CPU可以访问所有的内存和数据
• 程序允许访问外围设备

并发和并行

并发指的是两个或者以上的事件在同一时间间隔发生。

并行指的是两个或者以上的事件在同一时刻发生。

同步和异步，阻塞和非阻塞

阻塞、非阻塞强调的是程序在等待调用结果时的状态，而同步、异步描述的是这个程序是用哪种方式进行通信的。一个是状态、一个是通信机制。

阻塞对应的就是同步调用的时候对应的状态，当被调用方没有回应前，因为调用方会一直等待，这个时候，程序不能进行别的工作，所以被称为阻塞状态；而非阻塞则对应的是异步调用的时候对应的状态，当被调用方没有回应之前，调用方也没有白白浪费时间在等待上，而是转而去做别的事情，整个程序是没有停止运转的，这个状态我们就称为非阻塞状态。

CPU密集型和IO密集型

CPU密集型任务是指需要占用大量CPU时间的任务，在逻辑上，体现为需要进行复杂运算的程序。这种任务执行的时间取决于CPU的运行时间。

IO密集型体现为需要频繁读写磁盘、读写网络的程序，其完成的速度取决于IO设备的运转速度，当磁盘转速越快或者网卡带宽越大、网速越快，程序越快完成。