Go 协程为什么比进程和线程占用的系统资源低？

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介绍

进程是一个程序在执行时所占据的独立虚拟内存空间，Linux为每个进程分配一个虚拟内存空间，包括栈、未使用的内存、堆、BSS、DATA和TEXT等。

线程可以看作是轻量级的进程，多个线程在一个进程中“共生”，每个线程拥有独立的栈空间，共享其他虚拟内存空间，因此线程间通信比较简单，也就是可以通过共享内存进行通信。

进程和线程都是CPU的执行单元，它们在内核态进行切换，切换成本较高。

协程是用户态的一种虚拟执行单元，在用户态切换执行流程，切换成本较低。

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切换执行单元的成本

我们通过介绍线程和协程的切换流程，讲述为什么在内核态切换的成本较高，而在用户态切换的成本较低？

因为进程和线程都是内核态切换，并且进程切换成本比线程切换成本更高，所以只介绍线程切换和协程切换的切换成本。

内核态切换 - 线程

在了解线程在内核态切换之前，我们先了解一下什么是 CPU 时间片，在操作系统中，我们会安装很多软件，并且我们会同时使用多个软件，而 CPU 资源有限。

为了让多个软件可以在操作系统中同时运行，CPU 分成一个个的时间片，在每个时间片中运行一个软件的一个线程，因为时间片非常短，所以我们会感觉多个软件在同时运行。

在编写代码时，我们为了可以让程序被分配到更多的 CPU 资源，可以多创建一些线程，用于提升程序运行的效率。需要注意的是，线程并不是创建越多越好。

因为 CPU 在内核态切换执行单元（线程）时，会有时间成本，在进行切换执行单元时，需要保存寄存器中的数据，将原执行单元的状态保存，切换操作也会占用 CPU 资源（时间片），从而减少了供线程运行的 CPU 资源（时间片）。

除了时间成本之外，还会有性能开销，系统内核调度线程，需要用户空间和内核空间切换，因为只有拥有最高权限的内核空间才可以调度线程，限于篇幅，我们不再展开叙述。

用户态切换 - 协程

因为通过创建线程（执行单元），为程序争取更多的 CPU 资源，在线程切换时也会浪费 CPU 资源（时间成本），所以可以将执行单元不再在内核态运行，改为在用户态运行，也就是协程。

协程的切换成本较低，是因为切换比较简单，并且是在用户态进行切换，切换的时间成本较低（纳秒级），只需将当前协程的 CPU 寄存器的状态先保存起来，然后将需要 CPU 资源的协程的 CPU 寄存器的状态加载到 CPU 寄存器中。

关于 Go 协程的调度，我们在之前的文章中介绍过，此处不再赘述。

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内存占用

除了 CPU 资源有限之外，内存资源也是有限的，所以我们还需要了解进程、线程、协程的内存占用。

读者朋友们应该知道 32 位操作系统只支持 4G 内存的内存条，这是因为进程在 32 位操作系统中最多只能占用 4G 内存，而在 64 位操作系统中可以占用更多内存。

线程占用内存一般是 10MB，不同的操作系统版本之间有些差异，区间在 4M - 64M。

协程占用内存最小，一个协程占用 2KB 左右的内存。

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总结

本文我们主要介绍为什么 Go 协程比进程和线程占用的系统资源低，通过进程、线程、协程的 CPU 资源和内存占用的比较，发现无论是在切换时消耗的 CPU 资源（时间片），还是内存占用，Go 协程都有明显优势。

一句话总结就是 Go 协程的切换成本和内存占用比线程和进程都低。

需要注意的是，Go 协程占用系统资源低，并不代表可以无限创建 Go 协程。

参考资料：

1. https://www.geeksforgeeks.org/time-slicing-in-cpu-scheduling/

2. Virtual Memory