Go 協程爲什麼比進程和線程佔用的系統資源低？

01 介紹

進程是一個可執行程序在運行時的一塊獨立的虛擬內存 [1] 空間，Linux 給每個進程分配一個虛擬內存空間，包括棧空間、未使用內存、堆空間、BSS、DATA、TEXT 等。

線程可以理解爲輕量級進程，多個線程 “寄生” 在一個進程中，每個線程有獨立的棧空間，其它虛擬內存空間，多個線程共享，所以線程之間通信比較簡單，也就是說線程之間可以通過共享內存通信。

進程和線程都是 CPU 的一個執行單元，在內核態切換，切換成本較高。

協程是用戶態的一個僞執行單元，在用戶態切換執行流程，切換成本較低。

我們通過介紹線程和協程的切換流程，講述爲什麼在內核態切換的成本較高，而在用戶態切換的成本較低？

因爲進程和線程都是內核態切換，並且進程切換成本比線程切換成本更高，所以只介紹線程切換和協程切換的切換成本。

內核態切換 - 線程

在瞭解線程在內核態切換之前，我們先了解一下什麼是 CPU 時間片 [2]，在操作系統中，我們會安裝很多軟件，並且我們會同時使用多個軟件，而 CPU 資源有限。

爲了讓多個軟件可以在操作系統中同時運行，CPU 分成一個個的時間片，在每個時間片中運行一個軟件的一個線程，因爲時間片非常短，所以我們會感覺多個軟件在同時運行。

在編寫代碼時，我們爲了可以讓程序被分配到更多的 CPU 資源，可以多創建一些線程，用於提升程序運行的效率。需要注意的是，線程並不是創建越多越好。

因爲 CPU 在內核態切換執行單元（線程）時，會有時間成本，在進行切換執行單元時，需要保存寄存器中的數據，將原執行單元的狀態保存，切換操作也會佔用 CPU 資源（時間片），從而減少了供線程運行的 CPU 資源（時間片）。

除了時間成本之外，還會有性能開銷，系統內核調度線程，需要用戶空間和內核空間切換，因爲只有擁有最高權限的內核空間纔可以調度線程，限於篇幅，我們不再展開敘述。

用戶態切換 - 協程

因爲通過創建線程（執行單元），爲程序爭取更多的 CPU 資源，在線程切換時也會浪費 CPU 資源（時間成本），所以可以將執行單元不再在內核態運行，改爲在用戶態運行，也就是協程。

協程的切換成本較低，是因爲切換比較簡單，並且是在用戶態進行切換，切換的時間成本較低（納秒級），只需將當前協程的 CPU 寄存器的狀態先保存起來，然後將需要 CPU 資源的協程的 CPU 寄存器的狀態加載到 CPU 寄存器中。

關於 Go 協程的調度，我們在之前的文章中介紹過，此處不再贅述。

除了 CPU 資源有限之外，內存資源也是有限的，所以我們還需要了解進程、線程、協程的內存佔用。

讀者朋友們應該知道 32 位操作系統只支持 4G 內存的內存條，這是因爲進程在 32 位操作系統中最多隻能佔用 4G 內存，而在 64 位操作系統中可以佔用更多內存。

線程佔用內存一般是 10MB，不同的操作系統版本之間有些差異，區間在 4M - 64M。

協程佔用內存最小，一個協程佔用 2KB 左右的內存。

本文我們主要介紹爲什麼 Go 協程比進程和線程佔用的系統資源低，通過進程、線程、協程的 CPU 資源和內存佔用的比較，發現無論是在切換時消耗的 CPU 資源（時間片），還是內存佔用，Go 協程都有明顯優勢。

一句話總結就是 Go 協程的切換成本和內存佔用比線程和進程都低。

需要注意的是，Go 協程佔用系統資源低，並不代表可以無限創建 Go 協程。

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