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05 | 协程：如何快速地实现高并发服务？
你好，我是陶辉。
上一讲谈到，零拷贝通过减少上下文切换次数，提升了文件传输的性能。事实上高并发服务也是通过降低切换成本实现的，这一讲我们来看看它是如何做到的。
如果你需要访问多个服务来完成一个请求的处理，比如实现文件上传功能时，首先访问Redis缓存，验证用户是否登陆，再接收HTTP消息中的body并保存在磁盘上，最后把文件路径等信息写入MySQL数据库中，你会怎么做？
用阻塞API写同步代码最简单，但一个线程同一时间只能处理一个请求，有限的线程数导致无法实现万级别的并发连接，过多的线程切换也抢走了CPU的时间，从而降低了每秒能够处理的请求数量。
为了达到高并发，你可能会选择一个异步框架，用非阻塞API把业务逻辑打乱到多个回调函数，通过多路复用实现高并发，然而，由于业务代码过度关注并发细节，需要维护很多中间状态，不但Bug率会很高，项目的开发速度也上不去，产品及时上线存在风险。
如果想兼顾开发效率，又能保证高并发，协程就是最好的选择。它可以在保持异步化运行机制的同时，用同步方式写代码，这在实现高并发的同时，缩短了开发周期，是高性能服务未来的发展方向。
你会发现，解决高并发问题的技术一直在变化，从多进程、多线程，到异步化、协程，面对不同的场景，它们都在用各自不同的方式解决问题。我们就来看看，高并发的解决方案是怎么演进的，协程到底解决了什么问题，它又该如何应用。
如何通过切换请求实现高并发？
我们知道，主机上资源有限，一颗CPU、一块磁盘、一张网卡，如何同时服务上百个请求呢？多进程模式是最初的解决方案。内核把CPU的执行时间切分成许多时间片（timeslice），比如1秒钟可以切分为100个10毫秒的时间片，每个时间片再分发给不同的进程，通常，每个进程需要多个时间片才能完成一个请求。
这样，虽然微观上，比如说就这10毫秒时间CPU只能执行一个进程，但宏观上1秒钟执行了100个时间片，于是每个时间片所属进程中的请求也得到了执行，这就实现了请求的并发执行。
不过，每个进程的内存空间都是独立的，这样用多进程实现并发就有两个缺点：一是内核的管理成本高，二是无法简单地通过内存同步数据，很不方便。于是，多线程模式就出现了，多线程模式通过共享内存地址空间，解决了这两个问题。
然而，共享地址空间虽然可以方便地共享对象，但这也导致一个问题，那就是任何一个线程出错时，进程中的所有线程会跟着一起崩溃。这也是如Nginx等强调稳定性的服务坚持使用多进程模式的原因。
事实上，无论基于多进程还是多线程，都难以实现高并发，这由两个原因所致。
首先，单个线程消耗的内存过多，比如，64位的Linux为每个线程的栈分配了8MB的内存，还预分配了64MB的内存作为堆内存池（你可以从[第2讲] 中找到Linux系统为什么这么做）。所以，我们没有足够的内存去开启几万个线程实现并发。
其次，切换请求是内核通过切换线程实现的，什么时候会切换线程呢？不只时间片用尽，**当调用阻塞方法时，内核为了让CPU充分工作，也会切换到其他线程执行。**一次上下文切换的成本在几十纳秒到几微秒间，当线程繁忙且数量众多时，这些切换会消耗绝大部分的CPU运算能力。
下图以上一讲介绍过的磁盘IO为例，描述了多线程中使用阻塞方法读磁盘，2个线程间的切换方式。
那么，怎么才能实现高并发呢？把上图中本来由内核实现的请求切换工作，交由用户态的代码来完成就可以了，异步化编程通过应用层代码实现了请求切换，降低了切换成本和内存占用空间。异步化依赖于IO多路复用机制，比如Linux的epoll或者Windows上的iocp，同时，必须把阻塞方法更改为非阻塞方法，才能避免内核切换带来的巨大消耗。Nginx、Redis等高性能服务都依赖异步化实现了百万量级的并发。
下图描述了异步IO的非阻塞读和异步框架结合后，是如何切换请求的。
**然而，写异步化代码很容易出错。**因为所有阻塞函数，都需要通过非阻塞的系统调用拆分成两个函数。虽然这两个函数共同完成一个功能，但调用方式却不同。第一个函数由你显式调用，第二个函数则由多路复用机制调用。这种方式违反了软件工程的内聚性原则，函数间同步数据也更复杂。特别是条件分支众多、涉及大量系统调用时，异步化的改造工作会非常困难。
有没有办法既享受到异步化带来的高并发，又可以使用阻塞函数写同步化代码呢？
协程可以做到，它在异步化之上包了一层外衣，兼顾了开发效率与运行效率。
协程是如何实现高并发的？
协程与异步编程相似的地方在于，它们必须使用非阻塞的系统调用与内核交互，把切换请求的权力牢牢掌握在用户态的代码中。但不同的地方在于，协程把异步化中的两段函数，封装为一个阻塞的协程函数。这个函数执行时，会使调用它的协程无感知地放弃执行权，由协程框架切换到其他就绪的协程继续执行。当这个函数的结果满足后，协程框架再选择合适的时机，切换回它所在的协程继续执行。如下图所示：
看起来非常棒，然而，异步化是通过回调函数来完成请求切换的，业务逻辑与并发实现关联在一起，很容易出错。协程不需要什么“回调函数”，它允许用户调用“阻塞的”协程方法，用同步编程方式写业务逻辑。
那协程的切换是如何完成的呢？
实际上，**用户态的代码切换协程，与内核切换线程的原理是一样的。**内核通过管理CPU的寄存器来切换线程，我们以最重要的栈寄存器和指令寄存器为例，看看协程切换时如何切换程序指令与内存。
每个线程有独立的栈，而栈既保留了变量的值，也保留了函数的调用关系、参数和返回值，CPU中的栈寄存器SP指向了当前线程的栈，而指令寄存器IP保存着下一条要执行的指令地址。因此，从线程1切换到线程2时，首先要把SP、IP寄存器的值为线程1保存下来，再从内存中找出线程2上一次切换前保存好的寄存器值，写入CPU的寄存器，这样就完成了线程切换。（其他寄存器也需要管理、替换，原理与此相同，不再赘述。）
协程的切换与此相同，只是把内核的工作转移到协程框架实现而已，下图是协程切换前的状态：
从协程1切换到协程2后的状态如下图所示：
创建协程时，会从进程的堆中（参见[第2讲]）分配一段内存作为协程的栈。线程的栈有8MB，而协程栈的大小通常只有几十KB。而且，C库内存池也不会为协程预分配内存，它感知不到协程的存在。这样，更低的内存占用空间为高并发提供了保证，毕竟十万并发请求，就意味着10万个协程。当然，栈缩小后，就尽量不要使用递归函数，也不能在栈中申请过多的内存，这是实现高并发必须付出的代价。
由此可见，协程就是用户态的线程。然而，为了保证所有切换都在用户态进行，协程必须重新封装所有的阻塞系统调用，否则，一旦协程触发了线程切换，会导致这个线程进入休眠状态，进而其上的所有协程都得不到执行。比如，普通的sleep函数会让当前线程休眠，由内核来唤醒线程，而协程化改造后，sleep只会让当前协程休眠，由协程框架在指定时间后唤醒协程。再比如，线程间的互斥锁是使用信号量实现的，而信号量也会导致线程休眠，协程化改造互斥锁后，同样由框架来协调、同步各协程的执行。
**所以，协程的高性能，建立在切换必须由用户态代码完成之上，这要求协程生态是完整的，要尽量覆盖常见的组件。**比如MySQL官方提供的客户端SDK，它使用了阻塞socket做网络访问，会导致线程休眠，必须用非阻塞socket把SDK改造为协程函数后，才能在协程中使用。
当然，并不是所有的函数都能用协程改造。比如[第4讲] 提到的异步IO，它虽然是非阻塞的，但无法使用PageCache，降低了系统吞吐量。如果使用缓存IO读文件，在没有命中PageCache时是可能发生阻塞的。
这种时候，如果对性能有更高的要求，就需要把线程与协程结合起来用，把可能阻塞的操作放在线程中执行，通过生产者/消费者模型与协程配合工作。
实际上，面对多核系统，也需要协程与线程配合工作。因为协程的载体是线程，而一个线程同一时间只能使用一颗CPU，所以通过开启更多的线程，将所有协程分布在这些线程中，就能充分使用CPU资源。
除此之外，为了让协程获得更多的CPU时间，还可以设置所在线程的优先级，比如Linux下把线程的优先级设置到-20，就可以每次获得更长的时间片。另外，[第1讲] 曾谈到CPU缓存对程序性能的影响，为了减少CPU缓存失效的比例，还可以把线程绑定到某个CPU上，增加协程执行时命中CPU缓存的机率。
虽然这一讲中谈到协程框架在调度协程，然而，你会发现，很多协程库只提供了创建、挂起、恢复执行等基本方法，并没有协程框架的存在，需要业务代码自行调度协程。这是因为，这些通用的协程库并不是专为服务器设计的。服务器中可以由客户端网络连接的建立，驱动着创建出协程，同时伴随着请求的结束而终止。在协程的运行条件不满足时，多路复用框架会将它挂起，并根据优先级策略选择另一个协程执行。
因此，使用协程实现服务器端的高并发服务时，并不只是选择协程库，还要从其生态中找到结合IO多路复用的协程框架，这样可以加快开发速度。
小结
这一讲，我们从高并发的应用场景入手，分析了协程出现的背景和实现原理，以及它的应用范围。你会发现，协程融合了多线程与异步化编程的优点，既保证了开发效率，也提升了运行效率。
有限的硬件资源下，多线程通过微观上时间片的切换，实现了同时服务上百个用户的能力。多线程的开发成本虽然低，但内存消耗大，切换次数过多，无法实现高并发。
异步编程方式通过非阻塞系统调用和多路复用，把原本属于内核的请求切换能力，放在用户态的代码中执行。这样，不仅减少了每个请求的内存消耗，也降低了切换请求的成本，最终实现了高并发。然而，异步编程违反了代码的内聚性，还需要业务代码关注并发细节，开发成本很高。
协程参考内核通过CPU寄存器切换线程的方法，在用户态代码中实现了协程的切换，既降低了切换请求的成本，也使得协程中的业务代码不用关注自己何时被挂起，何时被执行。相比异步编程中要维护一堆数据结构表示中间状态，协程直接用代码表示状态，大大提升了开发效率。
在协程中调用的所有API，都需要做非阻塞的协程化改造。优秀的协程生态下，常用服务都有对应的协程SDK，方便业务代码使用。开发高并发服务时，与IO多路复用结合的协程框架可以与这些SDK配合，自动挂起、切换协程，进一步提升开发效率。
协程并不是完全与线程无关，首先线程可以帮助协程充分使用多核CPU的计算力，其次，遇到无法协程化、会导致内核切换的阻塞函数，或者计算太密集从而长时间占用CPU的任务，还是要放在独立的线程中执行，以防止它影响所有协程的执行。
思考题
最后，留给你一个思考题，你用过协程吗？觉得它还有什么优点？如果没有在生产环境中使用协程，原因是什么？欢迎你在留言区与我一起探讨。
感谢阅读，如果你觉得这节课有所收获，也欢迎把它分享给你的朋友。