【Go语言学习】2019-04-24 协程初步讨论与简单扩展

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GO协程有关知识（扩展）

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。

首先了解什么是协程，什么是线程

协程：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。而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。

线程：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。

区别：协程是运行在线程上的，在代码中显示控制，没有上下文切换所消耗的资源，协程拥有栈空间来存储自己的上下文，如果栈空间不足，则会更改其他的协程。

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：以通信的方式来共享内存，传统的多线程之间以共享内存来进行通信，GO语言则以通信的方式来共享内存，那么就来说一说这个CSP模型，它是通过goroutine和channel来实现的。

- goroutine 是Go语言中并发的执行单位。有点抽象，其实就是和传统概念上的”线程“类似，可以理解为”线程“。
- channel是Go语言中各个并发结构体(goroutine)之前的通信机制。 通俗的讲，就是各个goroutine之间通信的”管道“，有点类似于Linux中的管道。

生成一个goroutine需要代码简简单单的go func()就可以生成，channel也是需要声明chan即可，同时，channel在使用时需要注意，在读和写的时候channel都是堵塞的，向管道里写或者读数据类似于流输入输出。

GO并发的实现原理

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。也就是说无论你怎么去实现并发，其实根本上都是去调用内核态的线程，一切并发都是纸老虎~

线程模型的实现，可以分为以下几种方式：1.用户级线程模型，2.内核级线程模型，3.两级线程模型。而我们的GO线程模型就是一种特殊的两级线程模型（GPM调度模型）。

GPM调度模型：

• G: 表示goroutine，存储了goroutine的执行stack信息、goroutine状态以及goroutine的任务函数等；
• P: 表示逻辑processor，P的数量决定了系统内最大可并行的G的数量（前提：系统的物理cpu核数>=P的数量）；P的最大作用还是其拥有的各种G对象队列、链表、一些cache和状态。
• M: M代表着真正的执行计算资源。在绑定有效的p后，进入schedule循环；而schedule循环的机制大致是从各种队列、p的本地队列中获取G，切换到G的执行栈上并执行G的函数，调用goexit做清理工作并回到m，如此反复。M并不保留G状态，这是G可以跨M调度的基础。
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• P是一个“逻辑Proccessor”，每个G要想真正运行起来，首先需要被分配一个P（进入到P的local runq中，这里暂忽略global runq那个环节）。对于G来说，P就是运行它的“CPU”，可以说：G的眼里只有P。但从Go scheduler视角来看，真正的“CPU”是M，只有将P和M绑定才能让P的runq中G得以真实运行起来。
• G-P-M模型的实现算是Go scheduler的一大进步，但Scheduler仍然有一个头疼的问题，那就是不支持抢占式调度，导致一旦某个G中出现死循环或永久循环的代码逻辑，那么G将永久占用分配给它的P和M，位于同一个P中的其他G将得不到调度，出现“饿死”的情况。更为严重的是，当只有一个P时(GOMAXPROCS=1)时，整个Go程序中的其他G都将“饿死”。那怎么办呢？在GO1.2中，他增加了一个监控，Go程序启动时，runtime会去启动一个名为sysmon的m(一般称为监控线程)，该m无需绑定p即可运行，该m在整个Go程序的运行过程中至关重要：向长时间运行的G任务发出抢占调度，收回因syscall长时间阻塞的P等等

如果G被阻塞在某个system call操作上，那么不光G会阻塞，执行该G的M也会解绑P(实质是被sysmon抢走了)，与G一起进入sleep状态。如果此时有idle的M，则P与其绑定继续执行其他G；如果没有idle M，但仍然有其他G要去执行，那么就会创建一个新M。

参考文章:

1. https://segmentfault.com/a/11...
2. https://blog.csdn.net/weixin_...