进程、线程、协程 — 知识地图
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进程是资源分配的单位，线程是 CPU 调度的单位，协程是用户态轻量级线程。 本笔记提供三者对比与选型指南。
进程（Process）
进程是操作系统中资源分配的基本单位，是程序的一次执行实例。
| 特性 | 说明 |
|---|---|
| 独立性 | 每个进程拥有独立的地址空间、堆、栈、文件描述符等资源 |
| 隔离性 | 进程间互不干扰，一个进程崩溃不影响其他进程 |
| 上下文切换开销 | 最大 —— 需切换页表、刷新 TLB、保存/恢复寄存器等 |
| 通信方式 | IPC（管道、消息队列、共享内存、信号量、Socket 等） |
| 创建开销 | 大 —— fork/clone 系统调用成本高 |
| 典型场景 | 浏览器多 Tab、微服务各进程隔离部署 |
延伸阅读
线程（Thread）
线程是操作系统 CPU 调度的最小单位，是进程内的一个执行流。
| 特性 | 说明 |
|---|---|
| 资源共享 | 同一进程的线程共享堆内存、文件描述符，但拥有独立的栈和程序计数器 |
| 上下文切换开销 | 中等 —— 用户态 ↔ 内核态切换，但无需切换页表 |
| 通信方式 | 直接读写共享内存（需同步机制保护） |
| Java 实现 | HotSpot JVM 中，Java 线程采用 1:1 模型，即每个 Java 线程直接映射为一个 OS 原生线程 |
| 创建开销 | 相对较大，每次创建需系统调用 |
| 最大数量 | 受系统资源限制（栈空间 ~1MB/个、OS 线程数上限） |
为什么线程切换比进程切换快？
同一进程的线程共享地址空间，切换时无需切换页表，只需切换栈和寄存器。而进程切换需要刷新 TLB（转换检测缓冲区），这是最耗时的操作之一。
协程（Coroutine）
协程（也叫纤程/Fiber、虚拟线程/Virtual Thread）是用户态的轻量级线程，由程序自身调度而非 OS 内核。
| 特性 | 说明 |
|---|---|
| 调度方式 | 协作式（Cooperative），非抢占式 —— 协程主动让出（yield）执行权 |
| 上下文切换开销 | 最小 —— 纯用户态切换，无系统调用，纳秒级 |
| 内存占用 | 极低 —— 一个协程栈可小至 KB 级别（vs 线程 MB 级别） |
| 数量规模 | 可轻松创建数万到数百万个 |
| 通信方式 | 通过通道（Channel）/ 异步 Promise 等机制，天然避免锁竞争 |
| Java 实现 | Project Loom — 虚拟线程（JDK 21+），Executors.newVirtualThreadPerTaskExecutor() |
| 其他语言 | Python async/await、Go goroutine、Kotlin Coroutine、C++ libco |
三者对比
| 维度 | 进程 | 线程 | 协程 |
|---|---|---|---|
| 资源拥有 | 独立地址空间 | 共享进程资源 | 共享线程资源 |
| 调度层级 | OS 内核 | OS 内核 | 用户态（程序/运行时） |
| 切换开销 | 最大（微秒级） | 中等（纳秒~微秒级） | 最小（纳秒级） |
| 创建速度 | 慢 | 中等 | 极快 |
| 内存隔离 | ✅ 完全隔离 | ❌ 共享（需同步） | ❌ 共享（协作式） |
| 数据安全 | 高（隔离） | 中（需锁） | 中（协作式无需锁，但需约定） |
| 并发模型 | 多进程 | 多线程 / 线程池 | 异步 / 协程池 |
| 适用场景 | 高隔离、高安全 | CPU 密集型 / I/O 密集型 | 高并发 I/O、大量短任务 |
场景选型
- 计算密集型：使用 线程 或 进程，充分利用多核 CPU
- 高并发 I/O（如 Web 服务器、网关）：协程 优势巨大 —— 可同时处理数十万连接
- 需要隔离（如微服务、容器）：进程 是最佳选择
与线程池的联系
线程池本质上是对线程生命周期的管理工具 —— 既然线程创建/销毁开销大（因涉及内核态系统调用），通过池化复用线程来减少开销。
而协程的出现进一步挑战了线程池的必要性：
- 线程池 = 复用 OS 线程，限制并发数
- 虚拟线程（JDK 21+）= 每个任务一个虚拟线程，无需池化，创建即用
- 详见 Java线程池创建方式 和 Java虚拟线程
相关笔记
- ThreadPoolExecutor核心参数 — 线程池的构造参数与工作流程
- Java线程池创建方式 — 如何正确创建线程池
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