Кратко — определения, важные свойства и сравнительная таблица по сложности реализации, производительности и применимости в серверных приложениях.
1) Что это
- OS‑потоки (native/kernel threads) — потоки, управляемые ядром ОС; предemptивная многозадачность, системные контексты, каждая нить имеет свой стек и идентификатор в ядре.
- Зелёные потоки (green threads) — потоки, эмулируемые в пользовательском пространстве рантаймом; планирование и переключение — в библиотеке/виртуальной машине, не видимы ядру.
- Корутины — легковесные единицы исполнения с кооперативным переключением (явные точки приостановки/возобновления); могут быть реализованы на уровне языка (suspend/await) или как стековые корутины.
2) Ключевые свойства (кратко)
- Планирование: OS — предemptивное; green — обычно кооперативное/пользовательское планирование (иногда с ограниченной прерывностью); корутины — кооперативные.
- Блокирующие syscalls: OS — блокирует только данную нить; green/корутины — блокируют весь OS‑поток, если рантайм не перехватывает syscalls или не использует неблокир. I/O.
- Контекст‑свич: OS — дорого (переключение ядро↔пользователь, TLB и т.д.); green/корутины — дешёвый (рег. набор, стеки меньше).
- Память на поток: OS — обычно большие стек(и) (например $\sim 1\mathrm{MB}$ по умолчанию); green/корутины — маленькие/растущие стеки (напр. $8$–$64\mathrm{KB}$ или ещё меньше), корутины — минимальный оверхед.
3) Сравнение по критериям
- Сложность реализации (для разработчика)
- OS‑потоки: низкая — привычная модель (blocking I/O, синхронизация через мьютексы/условия), но сложность от конкуренции и блокировок.
- Зелёные потоки: средняя — проще масштабировать конкуренцию, но нужно учитывать взаимодействие с нативными библиотеками и перехват блокирующих вызовов.
- Корутины: средняя/высокая — требуют асинхронного/кооперативного стиля (await/suspend), преобразования кода, иногда сложнее трассировать и отлаживать.
- Производительность (throughput, latency, масштабируемость)
- OS‑потоки: хороши для CPU‑Bound задач и библиотек, делающих много системных вызовов; контекст‑свич дороже, масштабирование до большого числа потоков ограничено (тысячи/десятки тысяч плохо).
- Зелёные потоки: лучше для большого числа IO‑bound задач; низкий overhead переключения, можно иметь $\gg 10^4$ конкурентных единиц, если рантайм управляет I/O неблокирующе.
- Корутины: наилучшие для высококонкурентных IO‑bound задач — минимальный оверхед, низкая латентность при условии неблокирующего I/O; плохо работают, если код использует блокирующие нативные вызовы без адаптации.
- Применимость в серверных приложениях
- OS‑потоки: подходят для CPU‑интенсивных серверов, когда используешь сторонние библиотеки с блокирующими вызовами; простость интеграции с отладкой/профайлингом.
- Зелёные потоки: хороши для горизонтально масштабируемых сетевых серверов (много соединений, мало CPU на соединение). Требуют рантайма, который перехватывает I/O.
- Корутины: оптимальны для современного асинхронного сервера (HTTP/gRPC и т.п.) — читаемый код, масштабируемость; часто комбинируют с пулом OS‑потоков для CPU‑bound задач.
4) Практические замечания и рекомендации
- Если приложение CPU‑bound или использует много нативного блокирующего кода — используйте OS‑потоки (пул потоков).
- Для высоконагруженных IO‑bound серверов выбирайте корутины/зелёные потоки (Go‑goroutines, Kotlin coroutines, async/await, Erlang processes, Java Loom) — они позволяют обслуживать миллионы соединений ($\sim 10^6$) при малом расходе памяти.
- Гибрид: комбинируйте корутины + пул OS‑потоков (runtime dispatches coroutines onto OS threads) — общая практическая модель (Go, modern runtimes).
- Внимание к сторонним библиотекам: нативные блокирующие вызовы ломают преимущества green/coroutine моделей, надо либо использовать неблокирующую версию, либо выполнять в отдельном OS‑потоке.
- Отладка и профилирование: OS‑потоки проще; для корутин/green нужны специализированные тулзы или поддержка в рантайме.
5) Примеры реализаций
- OS‑потоки: pthreads, Java Threads.
- Green threads: старые JVM green threads, Erlang processes, early Go (но Go реализует M:N с преемством); современные реализации часто гибридны.
- Корутины: Go (goroutines), Kotlin coroutines, Python asyncio (кооперативные coroutines), C# async/await.
Краткая итоговая рекомендация: для IO‑bound, высококонкурентных серверов — корутины/green threads; для CPU‑bound и совместимости с нативным кодом — OS‑потоки; в большинстве реальных серверов оптимально гибридное решение (легковесные задачи + пул ОС‑потоков).