浅谈Go语言并发机制

转载  2017-11-09   作者:邴越   我要评论

这篇文章主要介绍了浅谈Go语言并发机制,小编觉得挺不错的,现在分享给大家,也给大家做个参考。一起跟随小编过来看看吧

Go 语言相比Java等一个很大的优势就是可以方便地编写并发程序。Go 语言内置了 goroutine 机制,使用goroutine可以快速地开发并发程序, 更好的利用多核处理器资源。这篇文章学习goroutine 的应用及其调度实现。

一、Go语言对并发的支持

使用goroutine编程

使用 go 关键字用来创建 goroutine 。将go声明放到一个需调用的函数之前,在相同地址空间调用运行这个函数,这样该函数执行时便会作为一个独立的并发线程。这种线程在Go语言中称作goroutine。

goroutine的用法如下:

//go 关键字放在方法调用前新建一个 goroutine 并执行方法体

go GetThingDone(param1, param2);

 

//新建一个匿名方法并执行

go func(param1, param2) {

}(val1, val2)

 

//直接新建一个 goroutine 并在 goroutine 中执行代码块

go {

  //do someting...

} 

因为 goroutine 在多核 cpu 环境下是并行的。如果代码块在多个 goroutine 中执行,我们就实现了代码并行。

如果需要了解程序的执行情况,怎么拿到并行的结果呢?需要配合使用channel进行。

使用Channel控制并发

Channels用来同步并发执行的函数并提供它们某种传值交流的机制。

通过channel传递的元素类型、容器(或缓冲区)和传递的方向由“<-”操作符指定。

可以使用内置函数 make分配一个channel:

i := make(chan int)    // by default the capacity is 0

s := make(chan string, 3) // non-zero capacity

 

r := make(<-chan bool)     // can only read from

w := make(chan<- []os.FileInfo) // can only write to 

配置runtime.GOMAXPROCS

使用下面的代码可以显式的设置是否使用多核来执行并发任务:

runtime.GOMAXPROCS()

GOMAXPROCS的数目根据任务量分配就可以,但是不要大于cpu核数。

配置并行执行比较适合适合于CPU密集型、并行度比较高的情景,如果是IO密集型使用多核的化会增加cpu切换带来的性能损失。

了解了Go语言的并发机制,接下来看一下goroutine 机制的具体实现。

二、区别并行与并发

进程、线程与处理器

在现代操作系统中,线程是处理器调度和分配的基本单位,进程则作为资源拥有的基本单位。每个进程是由私有的虚拟地址空间、代码、数据和其它各种系统资源组成。线程是进程内部的一个执行单元。 每一个进程至少有一个主执行线程,它无需由用户去主动创建,是由系统自动创建的。 用户根据需要在应用程序中创建其它线程,多个线程并发地运行于同一个进程中。

并行与并发

并行与并发(Concurrency and Parallelism)是两个不同的概念,理解它们对于理解多线程模型非常重要。

在描述程序的并发或者并行时,应该说明从进程或者线程的角度出发。

  1. 并发:一个时间段内有很多的线程或进程在执行,但何时间点上都只有一个在执行,多个线程或进程争抢时间片轮流执行
  2. 并行:一个时间段和时间点上都有多个线程或进程在执行

非并发的程序只有一个垂直的控制逻辑,在任何时刻,程序只会处在这个控制逻辑的某个位置,也就是顺序执行。如果一个程序在某一时刻被多个CPU流水线同时进行处理,那么我们就说这个程序是以并行的形式在运行。

并行需要硬件支持,单核处理器只能是并发,多核处理器才能做到并行执行。

  1. 并发是并行的必要条件,如果一个程序本身就不是并发的,也就是只有一个逻辑执行顺序,那么我们不可能让其被并行处理。
  2. 并发不是并行的充分条件,一个并发的程序,如果只被一个CPU进行处理(通过分时),那么它就不是并行的。

举一个例子,编写一个最简单的顺序结构程序输出"Hello World",它就是非并发的,如果在程序中增加多线程,每个线程打印一个"Hello World",那么这个程序就是并发的。如果运行时只给这个程序分配单个CPU,这个并发程序还不是并行的,需要部署在多核处理器上,才能实现程序的并行。

三、几种不同的多线程模型

用户线程与内核级线程

线程的实现可以分为两类:用户级线程(User-LevelThread, ULT)和内核级线程(Kemel-LevelThread, KLT)。用户线程由用户代码支持,内核线程由操作系统内核支持。

多线程模型

多线程模型即用户级线程和内核级线程的不同连接方式。

(1)多对一模型(M : 1)

将多个用户级线程映射到一个内核级线程,线程管理在用户空间完成。 此模式中,用户级线程对操作系统不可见(即透明)。

优点: 这种模型的好处是线程上下文切换都发生在用户空间,避免的模态切换(mode switch),从而对于性能有积极的影响。

缺点:所有的线程基于一个内核调度实体即内核线程,这意味着只有一个处理器可以被利用,在多处理器环境下这是不能够被接受的,本质上,用户线程只解决了并发问题,但是没有解决并行问题。如果线程因为 I/O 操作陷入了内核态,内核态线程阻塞等待 I/O 数据,则所有的线程都将会被阻塞,用户空间也可以使用非阻塞而 I/O,但是不能避免性能及复杂度问题。

(2) 一对一模型(1:1)

将每个用户级线程映射到一个内核级线程。

每个线程由内核调度器独立的调度,所以如果一个线程阻塞则不影响其他的线程。

优点:在多核处理器的硬件的支持下,内核空间线程模型支持了真正的并行,当一个线程被阻塞后,允许另一个线程继续执行,所以并发能力较强。

缺点:每创建一个用户级线程都需要创建一个内核级线程与其对应,这样创建线程的开销比较大,会影响到应用程序的性能。

(3)多对多模型(M : N)

内核线程和用户线程的数量比为 M : N,内核用户空间综合了前两种的优点。

这种模型需要内核线程调度器和用户空间线程调度器相互操作,本质上是多个线程被绑定到了多个内核线程上,这使得大部分的线程上下文切换都发生在用户空间,而多个内核线程又可以充分利用处理器资源。

四、goroutine机制的调度实现

goroutine机制实现了M : N的线程模型,goroutine机制是协程(coroutine)的一种实现,golang内置的调度器,可以让多核CPU中每个CPU执行一个协程。

理解goroutine机制的原理,关键是理解Go语言scheduler的实现。

调度器是如何工作的

Go语言中支撑整个scheduler实现的主要有4个重要结构,分别是M、G、P、Sched, 前三个定义在runtime.h中,Sched定义在proc.c中。

  1. Sched结构就是调度器,它维护有存储M和G的队列以及调度器的一些状态信息等。
  2. M结构是Machine,系统线程,它由操作系统管理的,goroutine就是跑在M之上的;M是一个很大的结构,里面维护小对象内存cache(mcache)、当前执行的goroutine、随机数发生器等等非常多的信息。
  3. P结构是Processor,处理器,它的主要用途就是用来执行goroutine的,它维护了一个goroutine队列,即runqueue。Processor是让我们从N:1调度到M:N调度的重要部分。
  4. G是goroutine实现的核心结构,它包含了栈,指令指针,以及其他对调度goroutine很重要的信息,例如其阻塞的channel。

Processor的数量是在启动时被设置为环境变量GOMAXPROCS的值,或者通过运行时调用函数GOMAXPROCS()进行设置。Processor数量固定意味着任意时刻只有GOMAXPROCS个线程在运行go代码。

参考这篇传播很广的博客:http://morsmachine.dk/go-scheduler

我们分别用三角形,矩形和圆形表示Machine Processor和Goroutine。

在单核处理器的场景下,所有goroutine运行在同一个M系统线程中,每一个M系统线程维护一个Processor,任何时刻,一个Processor中只有一个goroutine,其他goroutine在runqueue中等待。一个goroutine运行完自己的时间片后,让出上下文,回到runqueue中。 多核处理器的场景下,为了运行goroutines,每个M系统线程会持有一个Processor。

在正常情况下,scheduler会按照上面的流程进行调度,但是线程会发生阻塞等情况,看一下goroutine对线程阻塞等的处理。

线程阻塞

当正在运行的goroutine阻塞的时候,例如进行系统调用,会再创建一个系统线程(M1),当前的M线程放弃了它的Processor,P转到新的线程中去运行。

runqueue执行完成

当其中一个Processor的runqueue为空,没有goroutine可以调度。它会从另外一个上下文偷取一半的goroutine。

五、对并发实现的进一步思考

Go语言的并发机制还有很多值得探讨的,比如Go语言和Scala并发实现的不同,Golang CSP 和Actor模型的对比等。

了解并发机制的这些实现,可以帮助我们更好的进行并发程序的开发,实现性能的最优化。

关于三种多线程模型,可以关注一下Java语言的实现。

我们知道Java通过JVM封装了底层操作系统的差异,而不同的操作系统可能使用不同的线程模型,例如Linux和windows可能使用了一对一模型,solaris和unix某些版本可能使用多对多模型。JVM规范里没有规定多线程模型的具体实现,1:1(内核线程)、N:1(用户态线程)、M:N(混合)模型的任何一种都可以。谈到Java语言的多线程模型,需要针对具体JVM实现,比如Oracle/Sun的HotSpot VM,默认使用1:1线程模型。

以上就是本文的全部内容,希望对大家的学习有所帮助,也希望大家多多支持脚本之家。

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