Java 协程
协程本质上和线程是一类概念，本质上是编程过程中对并发计算任务的一种抽象，只不过协程在调度层面上更轻量。
线程的调度由于是操作系统实施的，有时间片/中断等较为复杂的机制，因此调度点对用户是透明的，可以认为调度理论上可以在任何地方触发。而协程的调度点往往是用户代码显式通过触发的（发生在用户态），需要用户代码自己相互“协作”来完成任务的调度和执行，这也是协程中”协“的来源。
一、Java 线程 & 协程
在 Java 中，每个线程都会映射到一个内核级线程，线程的调度是由操作系统内核负责的；对于协程来说，协程的切换仅仅是应用层的切换，不会深入内核。
二、协程的实现机制
从上下文切换方面，协程可以分为有栈协程和无栈协程。
- 有栈协程。顾名思义，协程方法间的调用是通过栈去实现的，好处是比较符合我们 Java 程序员的开发习惯，写起代码和线程区别不大。缺点是创建、保存、恢复栈的时候，会需要有一定的 CPU 和内存消耗。
- 无栈协程。无栈协程的方法调用没有通过栈去保存调用关系，而是通过状态机去保存。好处是不需要依赖栈，会减少一些 CPU 和内存操作，缺点是易用性没那么高，我们开发调试会比较困难。
从调度方面，协程可以分为对称协程和非对称协程。
- 对称协程，指的是任意两个协程之间可以互相切换。使用起来更加直观，比较灵活，切换效率比较高。
- 非对称协程，一个协程只能将控制权交还给它的调用者。控制流较为清晰，调试和错误追踪相对简单，性能相对较差。
三、协程有哪些优势
3.1 降低损耗
协程无论在创建、销毁、调度等资源开销都远小于线程，因为协程的操作不涉及操作系统的资源分配和调度。
内存占用
协程通常占用更少的内存，因为协程的栈大小比线程小的多。线程在现代操作系统中通常是固定大小（如 1MB），而协程可以小到几 KB（Java G1 512KB）。这使得在同样的条件下，协程能以更高的密度运行。
上下文切换
线程的上下文切换需要系统调用陷入内核。
上下文切换（context-switch）分为两类，一类是主动切换（nr_voluntary_switches），典型的场景是锁、信号量、IO、Thread.yeild()；另一类是被动切换，典型场景是线程一直在 CPU 计算（busy loop），当一个时间片被用完时候发生上下文切换。
线程上下文切换的步骤：
1、保持当前线程的上下文
- 寄存器状态：保存所有通用寄存器、浮点寄存器、状态寄存器等；
- 程序计数器（PC）：保存当前执行的指令地址；
- 堆栈指针（SP）：保存当前堆栈指针的位置；
- 其他处理器状态：包括条件码、控制寄存器等。
2、选择新的线程
- 调度器：操作系统的恶调度器选择一个新的线程来运行。
3、加载新线程的上下文
- 读取新线程的上下文，把步骤 1 保存的状态恢复。
4、更新内存和缓存状态
- 缓存一致性：确保缓存与内存的一致性，可能需要刷新或无效缓存行。
- 内存映射：更新内存管理单元（MMU）以映射新的线程的地址空间。
5、恢复执行
- 处理器从程序计数器（PC）开始执行新线程的指令。
线程上下文切换消耗组成：
- 操作系统保存和恢复上下文所需的开销，这部分开销算在进程本身消耗的 CPU 里
- 单次上下文切换开销主要受寄存器状态，调度策略，硬件性能等因素影响
- 上下文切换次数主要受 I/O 操作，锁和同步机制，系统负载，线程的创建和销毁频率等因素影响。
- 线程调度器进行线程调度的开销，这部分消耗算在操作系统消耗的 CPU 里
协程上下文切换过程：
1、保存当前协程状态
- 保存当前协程的程序计数器（PC）和栈指针（SP）。
- 保存其他必要的局部变量和状态信息。
2、选择下一个协程
- 协程主动让出控制权，调度器在协程主动挂起时进行切换。
3、恢复目标协程状态
- 恢复目标协程的栈指针（SP）；
- 恢复目标协程的程序计数器（PC）；
- 恢复其他必要的局部变量和状态信息。
4、继续执行目标协程
- 跳转到目标协程的程序计数器（PC），继续执行目标协程的代码。
协程的单次上下文切换不需要内核线程调度器参与，仅需要进行少量的软件上下文保存及一些简单的内存管理操作。
3.2 提升并发度
突破 thread-per-request 的限制。
对于 Java 线程模型来讲，一个请求每次只能用一个独立的线程处理，且线程对请求的处理是串行的，一个线程同时只能处理一个请求，如果请求进行一些系统调用，那么线程就会被阻塞。对于协程而言，多个协程共用一个线程，且可以线程内部自主切换，从而实现一个线程处理多个请求。
衡量一个系统的效率通常几个重要参数：QPS（TPS）、并发数、响应时间。
- QPS(TPS)：Query Per Second，每秒钟 request/事务数量
- 并发数：系统同时处理的 request/事务数
- 响应时间：一般取平均响应时间
理解了上面三个要素的意义之后，就能推算出它们之间的关系：
- QPS(TPS) = 并发数/平均响应时间
- 并发数 = QPS*平均响应时间
通过公式可以得到提升吞吐量，要么提高并发量（度），要么降低响应时间。
3.3 局限性
- 不适合 CPU 密集型服务：CPU 密集型服务总体上下文切换次数较小，无法体现协程的优势；
- 不支持高效抢占：协程设计哲学是基于协作式多任务处理，而非抢占式。这意味着协程的执行流程是否继续、暂停或结束，通常由协程自身控制，而不是由外部调度器强制抢占；
- 协程栈对于 GC 暂停的影响：由于协程栈本质上是 GC Root 的一部分，因此可能对 GC 暂停会有不好的影响。
四、协程的收益
上下文切换开销，单次协程上下文切换耗时约 0.28us (测试数据 0.3us - 6us)，约占线程消耗的 3.7%
收益计算，协程的收益主要体现在 CPU 利用率的后半段，可以帮助我们 CPU 利用率达到一个更高的水位而保持同样的稳定性。
协程收益 = 接入前（原利用率下）CPU 核数 - 接入后（现利用率下）CPU 核数