Go goroutine理解

Go语言最大的特色就是从语言层面支持并发（Goroutine），Goroutine是Go中最基本的执行单元。事实上每一个Go程序至少有一个Goroutine：主Goroutine。当程序启动时，它会自动创建。

为了更好理解Goroutine，现讲一下线程和协程的概念

线程（Thread）：有时被称为轻量级进程(Lightweight Process，LWP），是程序执行流的最小单元。一个标准的线程由线程ID，当前指令指针(PC），寄存器集合和堆栈组成。另外，线程是进程中的一个实体，是被系统独立调度和分派的基本单位，线程自己不拥有系统资源，只拥有一点儿在运行中必不可少的资源，但它可与同属一个进程的其它线程共享进程所拥有的全部资源。

线程拥有自己独立的栈和共享的堆，共享堆，不共享栈，线程的切换一般也由操作系统调度。

协程（coroutine）：又称微线程与子例程（或者称为函数）一样，协程（coroutine）也是一种程序组件。相对子例程而言，协程更为一般和灵活，但在实践中使用没有子例程那样广泛。

和线程类似，共享堆，不共享栈，协程的切换一般由程序员在代码中显式控制。它避免了上下文切换的额外耗费，兼顾了多线程的优点，简化了高并发程序的复杂。

Goroutine和其他语言的协程（coroutine）在使用方式上类似，但从字面意义上来看不同（一个是Goroutine，一个是coroutine），再就是协程是一种协作任务控制机制，在最简单的意义上，协程不是并发的，而Goroutine支持并发的。因此Goroutine可以理解为一种Go语言的协程。同时它可以运行在一个或多个线程上。

先给个简单实例

func loop() {
    for i := 0; i < ; i++ {
        fmt.Printf("%d ", i)
    }
}

func main() {
   go loop() // 启动一个goroutine
    loop()
}

GO并发的实现原理

一、Go并发模型

Go实现了两种并发形式。第一种是大家普遍认知的：多线程共享内存。其实就是Java或者C++等语言中的多线程开发。另外一种是Go语言特有的，也是Go语言推荐的：CSP（communicating sequential processes）并发模型。

CSP并发模型是在1970年左右提出的概念，属于比较新的概念，不同于传统的多线程通过共享内存来通信，CSP讲究的是“以通信的方式来共享内存”。

请记住下面这句话：
DO NOT COMMUNICATE BY SHARING MEMORY; INSTEAD, SHARE MEMORY BY COMMUNICATING.
“不要以共享内存的方式来通信，相反，要通过通信来共享内存。”

普通的线程并发模型，就是像Java、C++、或者Python，他们线程间通信都是通过共享内存的方式来进行的。非常典型的方式就是，在访问共享数据（例如数组、Map、或者某个结构体或对象）的时候，通过锁来访问，因此，在很多时候，衍生出一种方便操作的数据结构，叫做“线程安全的数据结构”。例如Java提供的包”java.util.concurrent”中的数据结构。Go中也实现了传统的线程并发模型。

goroutinechannel

goroutinechannelgoroutinegoroutine

goroutine

go f();

channelchannel <- data<-channel

channel <- data<-channelgoroutine

goroutine

示例如下：

package main

import "fmt"

func main() {
   
   messages := make(chan string)

   go func() { messages <- "ping" }()

   msg := <-messages
   fmt.Println(msg)
}

注意 main()本身也是运行了一个goroutine。

messages:= make(chan int) 这样就声明了一个阻塞式的无缓冲的通道

chan 是关键字 代表我要创建一个通道

GO并发模型的实现原理

我们先从线程讲起，无论语言层面何种并发模型，到了操作系统层面，一定是以线程的形态存在的。而操作系统根据资源访问权限的不同，体系架构可分为用户空间和内核空间；内核空间主要操作访问CPU资源、I/O资源、内存资源等硬件资源，为上层应用程序提供最基本的基础资源，用户空间呢就是上层应用程序的固定活动空间，用户空间不可以直接访问资源，必须通过“系统调用”、“库函数”或“Shell脚本”来调用内核空间提供的资源。

我们现在的计算机语言，可以狭义的认为是一种“软件”，它们中所谓的“线程”，往往是用户态的线程，和操作系统本身内核态的线程（简称KSE），还是有区别的。

线程模型的实现，可以分为以下几种方式：

用户级线程模型

如图所示，多个用户态的线程对应着一个内核线程，程序线程的创建、终止、切换或者同步等线程工作必须自身来完成。它可以做快速的上下文切换。缺点是不能有效利用多核CPU。

内核级线程模型

这种模型直接调用操作系统的内核线程，所有线程的创建、终止、切换、同步等操作，都由内核来完成。一个用户态的线程对应一个系统线程，它可以利用多核机制，但上下文切换需要消耗额外的资源。C++就是这种。

两级线程模型

这种模型是介于用户级线程模型和内核级线程模型之间的一种线程模型。这种模型的实现非常复杂，和内核级线程模型类似，一个进程中可以对应多个内核级线程，但是进程中的线程不和内核线程一一对应；这种线程模型会先创建多个内核级线程，然后用自身的用户级线程去对应创建的多个内核级线程，自身的用户级线程需要本身程序去调度，内核级的线程交给操作系统内核去调度。

M个用户线程对应N个系统线程，缺点增加了调度器的实现难度。

Go语言的线程模型就是一种特殊的两级线程模型（GPM调度模型）。

Go线程实现模型MPG

MMachineMPMGGoroutine

GOMAXPROCS

三者关系如下图所示：

以上这个图讲的是两个线程(内核线程)的情况。一个M会对应一个内核线程，一个M也会连接一个上下文P，一个上下文P相当于一个“处理器”，一个上下文连接一个或者多个Goroutine。为了运行goroutine，线程必须保存上下文。

GOMAXPROCSGOMAXPROCS()

GoroutineGoroutineGoroutinerunqueues

Go语言里，启动一个goroutine很容易：go function 就行，所以每有一个go语句被执行，runqueue队列就在其末尾加入一个goroutine，一旦上下文运行goroutine直到调度点，它会从其runqueue中弹出goroutine，设置堆栈和指令指针并开始运行goroutine。

抛弃P(Processor)

Goroutinerunqueues

sysallGoroutine

GoroutineGoroutine

当系统调用syscall结束后，M0会“偷”一个上下文，如果不成功，M0就把它的Gouroutine G0放到一个全局的runqueue中，将自己置于线程缓存中并进入休眠状态。全局runqueue是各个P在运行完自己的本地的Goroutine runqueue后用来拉取新goroutine的地方。P也会周期性的检查这个全局runqueue上的goroutine，否则，全局runqueue上的goroutines可能得不到执行而饿死。

均衡的分配工作

按照以上的说法，上下文P会定期的检查全局的goroutine 队列中的goroutine，以便自己在消费掉自身Goroutine队列的时候有事可做。假如全局goroutine队列中的goroutine也没了呢？就从其他运行的中的P的runqueue里偷。

GoroutineGoroutinegoroutine

Go的做法倒也直接，从其他P中偷一半！

Goroutine 小结

优点：

1、开销小

POSIX的thread API虽然能够提供丰富的API，例如配置自己的CPU亲和性，申请资源等等，线程在得到了很多与进程相同的控制权的同时，开销也非常的大，在Goroutine中则不需这些额外的开销，所以一个Golang的程序中可以支持10w级别的Goroutine。

每个 goroutine (协程) 默认占用内存远比 Java 、C 的线程少（goroutine：2KB ，线程：8MB）

2、调度性能好

在Golang的程序中，操作系统级别的线程调度，通常不会做出合适的调度决策。例如在GC时，内存必须要达到一个一致的状态。在Goroutine机制里，Golang可以控制Goroutine的调度，从而在一个合适的时间进行GC。

在应用层模拟的线程，它避免了上下文切换的额外耗费，兼顾了多线程的优点。简化了高并发程序的复杂度。

缺点：

协程调度机制无法实现公平调度。

参考：

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