源代码

Lua code

co = coroutine.create(function(loops)
    for i = 1, loops do
        coroutine.yield()
    end
end)

local x = os.clock()
local loops = 100 * 1000 * 1000
coroutine.resume(co, loops)
for i = 1, loops do
    coroutine.resume(co)
end
print(string.format("elapsed time: %.2f\n", os.clock() - x))

Java code

public class TestWait {
    public static void main(String[] args) {
        WaitClass wc = new WaitClass();
        wc.start();
        int loops = 100 * 1000 * 1000;
        long t1 = System.currentTimeMillis();
        for (int i = 0; i < loops; i++) {
            synchronized (wc) {
                wc.notify();
            }
        }
        long t2 = System.currentTimeMillis();
        System.out.println("elapsed time: " + (t2 - t1) / 1000l);
    }
}

class WaitClass extends Thread {
    public void run() {
        while (true) {
            synchronized (this) {
                try {
                    this.wait();
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        }
    }
}

运行结果

Lua elapsed time: 53.36
Java elapsed time: 51

CPU占用

运行环境：4core XEON

Lua 1CPU 100%, 其他CPU0%, total 25% (其中CPU sys 0%)

Java 2个CPU 40%-50%, 其他CPU 0%, total 25% (其中CPU sys 5%-10%)

从结果看，coroutine只利用了一个CPU, 和原理所说完全一致。

Java利用了2个CPU, 各占用了50%的CPU时间运行和50%的时间等待，和设计也一致。另外Java用了5-10%的sys CPU时间用于线程context switch

结论

虽然这两种程序没有直接可比性，但仍然可以看出一些有趣的地方：

• Lua虽然在各种性能评比中performance比Java低一个数量级，但在这个场景中也跑平了Java
• Java为了调用notify/wait, 用了同步锁，因此测试场景对Java不利。

再谈coroutine应用场景

今天又看到qiezi的文章并发编程模型：Thread, Coroutine, Callback … 分析得很深入，对这方面感兴趣的可以进一步去深入了解。

另外qiezi在Coroutine在并发程序中的应用中提到四种场景，可以理解是对我上篇文章对coroutine应用场景的一种答案。

1. 状态机。
2. 异步IO操作：异步IO操作通常是发起一个IO请求，由操作系统完成以后回调指定的方法或者使用其它方式通知。
3. 高并发网络服务器，高并发服务器除了要处理场景一的情况外，可能还要结合场景二，多线程方案有时候完全不能接受，更多的是基于事件、异步IO或者是混合事件和多线程的模型。
4. 客户端并发应用

但是我还是觉得存在疑虑，后面几种我觉得用多线程/线程池模式也可以很好解决。其实select/epoll异步IO方式跟多线程并不矛盾。多线程并不代表每个线程需要recv阻塞在那里。目前网络服务器的多线程通常是指业务逻辑处理部分使用多线程。比如Java中用mina来处理连接(相当于epoll)，mina在收到数据包之后再分发给负责业务逻辑的thread pool处理。如果是CPU密集型任务，简单把线程池的线程数设成CPU数即可达到性能最佳。这时如果把线程数设成1，就很类似coroutine模式了。而Java模式所增加的消耗，主要是new runnable class以及线程池调度的开销。

• Lua coroutine 不一样的多线程编程思路
• Java垃圾回收调优
• Twitter架构图(cache篇)
• Python thread socket server
• 关于阙宏宇lighttpd与mod_cache在twitter上的一些讨论

一、简介

协同程序与线程差不多，也就是一条执行序列，拥有自己独立的栈，局部变量和指令指针，同时又与其它协同程序共享全局变量和其它大部分东西。线程与协同程序的主要区别在于，一个具有多线程的程序可以同时运行几个线程，而协同程序却需要彼此协作地运行。就是说，一个具有多个协同程序的程序在任何时刻只能运行一个协同程序，并且正在运行的协同程序只会在其显示地挂起时，它的执行才会暂停。

如：

co = coroutine.create(function ()
for i=1,10 do
print("co", i)
coroutine.yield()
end
end)

从主线程调用
coroutine.resume(co)
会依次打印1到10

二、原理探析

• coroutine创建的所谓的“线程”都不是真正的操作系统的线程，实际上是通过保存stack状态来模拟的。
• 由于是假的线程，所以切换线程的开销极小，同时创建线程也是轻量级的，new_thread只是在内存新建了一个stack用于存放新coroutine的变量，也称作lua_State

LUA_API lua_State *lua_newthread (lua_State *L)

• 调用yield()当前线程交出控制权，同时还可以通过stack返回参数。调用resume的线程(可理解为主线程)获得返回的参数。
• Lua yield()和Java中的Thread.yield()有点相似，但是区别更大。Java中的yield调用后只是将当前CPU切换到另外一个线程，CPU可能随时会继续回到线程执行。
• 我更倾向于把Lua中的yield()和resume()和Java中的wait()和notify()来对比。它们表现的行为基本一致。
• 关于stack实现也可参看Yufeng(Erlang高手)的分析文章 lua coroutine是如何实现的？

三、Why coroutine?

上面对coroutine有个基本的了解，因此大家都会象我一样去想，为什么要用coroutine？先研究下优点

• 每个coroutine有自己私有的stack及局部变量。
• 同一时间只有一个coroutine在执行，无需对全局变量加锁。
• 顺序可控，完全由程序控制执行的顺序。而通常的多线程一旦启动，它的运行时序是没法预测的，因此通常会给测试所有的情况带来困难。所以能用coroutine解决的场合应当优先使用coroutine。

再看缺点，研究coroutine缺点之前，我寻找了一下Lua中为什么实现coroutine的一些说明。在巴西人写的paper Coroutines in Lua(pdf)中解释了几个原因：

• Lua是ANSI C实现的，ANSI C并不包含thread的实现，因此如果要在Lua增加thread的支持就要使用操作系统本地的实现，这样会造成通用的问题。同时也会使Lua变得臃肿。因此Lua选择了在ANSI C上实现的coroutine。
• Lua主要设计目的之一是给C调用，如果Lua内部又有多线程实现的话会造成C调用状态的混乱，而只提供coroutine层面的挂起则可以保持状态的一致性。

以上这些理由都是基于Lua特殊的原因而使用的，并不是很通用的原因。我们也了解到，coroutine实际上是一种古老的设计模式，它在60年代就已经定型，但是现代语言很少有重视这个特性，目前可以举例的有Windows的fibers, Python的generators

四、Lua coroutine和Erlang

上面优点有1条没展开，就是每个coroutine有自己私有的stack及内存变量空间。因此可以认为coroutine和Erlang中的process是非常相似的。但是coroutine只能同时只有一个在执行，如果能让他多个同时跑，我觉得就和Erlang非常相似了。

《Lua程序设计》第二版30.2介绍的一种实现方法，让多个c threads启动，然后每个c thread启动一个coroutine(类似Erlang process)，然后通过stack传递变量值(类似Erlang process message)，这样就可以实现一个类似Erlang的process模型了。由于coroutine实际上可以用任何语言实现，那其他语言应该也可实现同样这种设计方法。

五、Lua其他

Lua目前主要用在游戏编程领域，通常的观点Lua是“胶水语言”。用来把各个模块化的功能粘合起来。就我目前阅读的一些代码来看，C和Lua通常是混合在一起的，并没有明确的边界。对于我一个外行的眼光看来我分不清哪些是在做C的事情，哪些是在调用Lua。特别是这个“胶水”如果放得太多，系统中各个模块的独立性将会受到影响。比如云风的这篇Lua 不是 C++也提到，“这属于过厚的粘合层，是绝对需要抛弃的”。

另外Code@Pig一篇[网游设计] 一点感想也提到要简化调用，我总结它的观点主要两点：

1. 不要存在冗余的关系，给一个部分负责管理就好。(由Lua/python来管理)
2. 粘合层(Lua/python接口)不要过胖，我们可以通过引入一个“间接层”来把粘合层做“薄”

虽然Lua的高效和精简的设计让人赞誉有加，但是它的性能排名并不高，和Python大致在同一个级别。另外“胶水语言”的定位也妨碍了它在更多领域的发展。

• Lua coroutine vs Java wait/notify
• 使用脚本引擎增加程序运行时动态执行能力(Java篇)
• 参加Erlang开发者大会一些记录
• 2010年的技术架构建议
• python web.py使用flup lighttpd优化过程