Go 并发编程协程及调度机制详情

前言：

协程（coroutine）是 Go 语言最大的特色之一，goroutine 的实现其实是通过协程。

协程的概念

协程一词最早出现在 1963 年发表的论文中，该论文的作者为美国计算机科学家 Melvin E.Conway。著名的康威定律：“设计系统的架构受制于产生这些设计的组织的沟通结构。” 也是这个作者。

协程是一种用户态的轻量级线程，可以想成一个线程里面可以有多个协程，而协程的调度完全由用户控制，协程也会有自己的 registers、context、stack 等等，并且由协程的调度器来控制说目前由哪个协程执行，哪个协程要被 block 住。

而相对于 Thread 及 Process 的调度，则是由 CPU 内核去进行调度，因此操作系统其实会有所谓许多的调度算法，并且可以进行抢占式调度，可以主动抢夺执行的控制权。

反之，协程是不行的，只能进行非抢占式的调度。 可以理解成，如果 coroutine 被 block 住，则会在用户态直接切换另外一个 coroutine 给此 thread 继续执行，这样其他 coroutine 就不会被 block 住，让资源能够有效的被利用，借此实现 Concurrent 的概念。

协程与线程

线程 是 CPU 调度的基本单位，多个线程可以通过共享进程的资源，通过共享内存等方式来进行线程间通信。

协程 可理解为轻量级线程，与线程相比，协程不受操作系统系统调度，协程调度由用户应用程序提供，协程调度器按照调度策略把协程调度到线程中运行。

• 协程只需花几 KB 就可以被创立，线程则需要几 MB 的内存才能创立
• 切换开销方面，协程远远低于线程，切换的速度也因此大幅提升

goroutine 的诞生

Golang 语言的 goroutine 其实就是协程，特别的是在语言层面直接原生支持创立协程，并在 runtime、系统调用等多方面对 goroutine 调度进行封装及处理。

相对于 Java 的建立线程，操作系统是会直接建立一个线程与其对应，而多个线程的间互相切换需要通过内核线程来进行，会有较大的上下文切换开销，造成的资源耗费，而 goroutine 是在代码上直接实现切换，不需要经过内核线程。

goroutine 的优势：

• 与线程相比, goroutine 非常便宜，可以根据应用程序的需求自动分配， 但在线程的大小通常是固定的
• 使用 goroutine 访问共享内存的时候 透过 channel 可以避免竞态条件的发生

比如，我们计算一个数字的质数，可以写出如下的代码:

package main

import (
	"fmt"
	"time"
)

func main() {
	num := 300000
	start := time.Now()
	for i := 1; i <= num; i++ {
		if isPrime(i) {
			fmt.Println(i)
		}
	}
	end := time.Now()
	fmt.Println(end.Unix()-start.Unix(), "seconds")
}
func isPrime(num int) bool {
	if num == 1 {
		return false
	} else if num == 2 {
		return true
	} else {
		for i := 2; i < num; i++ {
			if num%i == 0 {
				return false
			}
		}
		return true
	}
}

上面的代码用 num ：= 300000 来测试，也就是从 1~300000 之间来看那些数字会是质数，如果是质数的话就把质数输出，最后看到最终花费了 37 秒。运行结果如下：

使用 goroutine 加快速度

package main

import (
	"fmt"
	"time"
)

func main() {
	num := 300000
	start := time.Now()
	for i := 1; i <= num; i++ {
		go findPrimes(i)
	}

	end := time.Now()
	time.Sleep(5 * time.Second)
	fmt.Println(end.Unix()-start.Unix(), "seconds")
}

func findPrimes(num int) {
	if num == 1 {
		return
	} else if num == 2 {
		fmt.Println(num)
	} else {
		for i := 2; i < num; i++ {
			if num%i == 0 {
				return
			}
		}
		fmt.Println(num)
	}
}

go findPrimes 这条语句就可以开启一个 goroutine，因此以主程序来说这样等于是开启 300000 个 goroutine 来各自判断自己拿到 num 是不是质数这样。

用 time. Sleep 来休息五秒来让 main 主程序不要被关闭，否则由于开启 goroutine 之后代码会继续往下执行，如果没做 sleep 的话会导致主程序关闭，主程序一关闭 goroutine 就跟着关闭了，我们就看不出效果了。

这边运行之后会发现输出的质数出现并不是从小到大的，这是因为这些 goroutine 是一起做事情的，所以谁先做完谁就先输出这样。

运行结果如下，最后花费了大概 11 秒：

goroutine 的机制原理

理解 goroutine 机制的原理，关键是理解 Go 语言是如何实现调度器模型的。

计算机科学领域的任何问题都可以通过添加间接中间层来解决。GPM 模型就是这一理论的实践者。

Go 语言中支撑整个调度器实现的主要有 4 个重要结构，分别是 machine（简称 M ）、goroutine（简称 G ）、processor（简称 P ）、Scheduler(简称 Sched）， 前三个定义在 runtime.h 中，Sched 定义在 proc.c 中。

• 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
• M 结构是 Machine，系统线程，它由操作系统管理和调度的，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。
• 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。
• 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。

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 。

可以看到 Go 的并发用起来非常简单，用了一个语法糖将内部复杂的实现结结实实的包装了起来。

其内部可以用下面这张图来概述：

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。

到此这篇关于Go 并发编程协程及调度机制详情的文章就介绍到这了,更多相关Go 调度机制内容请搜索脚本之家以前的文章或继续浏览下面的相关文章希望大家以后多多支持脚本之家！

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