Goroutine(协程)的理解

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title: Goroutine(协程)的理解
tags: Go,Goroutine
author: Clown95

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并发概念

Go语言相对于其他语言的最大一个特色就是支持高并发编程模式。Goroutine(协程)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，我们需要了解并发和并行的区别

• 并发:逻辑上具备同时处理多个任务的能力。
• 并行:物理上在同一时刻执行多个并发任务。

简单来说，并发是在同一时间处理多件事情。并行是在同一时间做多件事情。并发的目的在于把当个 CPU 的利用率使用到最高。并行则需要多核 CPU 的支持。

线程和协程

Go 语言在语言层面上支持了并发，goroutine是Go语言提供的一种用户态线程，有时我们也称之为协程。下面我们了解下协程和线程。

• 进程：拥有自己独立的堆和栈，既不共享堆，亦不共享栈，进程由操作系统调度。

• 线程：拥有自己独立的栈和共享的堆，共享堆，不共享栈，线程亦由操作系统调度。

• 协程 :和线程一样共享堆，不共享栈，协程由程序员在协程的代码里显示调度。

在操作系统的OS Thread和编程语言的User Thread之间，实际上存在3种线程对应模型，也就是：1:1，1:N，M:N。

• 1:1：一个用户线程就只在一个内核线程上跑，这时可以利用多核，但是上下文切换很慢，切换效率很低。

• N:1：多个（N）用户线程始终在一个内核线程上跑，context上下文切换很快，但是无法真正的利用多核。

• M:N：多个goroutine在多个内核线程上跑，这个可以集齐上面两者的优势,既能快速切换上下文，也能利用多核的优势，而Go正是选择这种实现方式。

简单将 goroutine归纳为协程并不合适。运行时会创建多个线程来执行并发任务,且任务单元可被调度到其他线程并行执行。这更像是多线程和协程的综合体,能最大限度提升执行效率,发挥多核处理能力。

MPG模型

我们可以创建很多的goroutine，并且它们跑在同一个内核线程之上的时候，就需要一个调度器来维护这些goroutine，确保所有的goroutine都能使用cpu，并且是尽可能公平地使用cpu资源。

Go语言中调度器的主要有4个重要部分，分别是M、G、P、前三个定义在runtime.h中，Sched定义在proc.c中。

• M (work thread) 代表了系统线程OS Thread，由操作系统管理。

• P (processor) 衔接M和G的调度上下文，它负责将等待执行的G与M对接。P的数量可以通过GOMAXPROCS()来设置，它其实也就代表了真正的并发度，即有多少个goroutine可以同时运行。

• G (goroutine) goroutine的实体，包括了调用栈，重要的调度信息，例如channel等。

• Sched是调度实现中使用的数据结构,大多数需要的信息都已放在了结构体M、G和P中，Sched结构体只是一个壳。Sched结构体中的Lock是非常必须的，如果M或P等做一些非局部的操作，它们一般需要先锁住调度器。
  

使用goroutine

只须在函数调用前添加go关键字即可创建并发任务，关键字go并非执行并发操作,而是创建一个并发任务单元。新建任务被放置在系统队列中、等待调度器安排合适系统线程去获取执行权。

比如说，第一种方案，商场雇佣1000个导购员进行一对一服务，这种肯定是很高效的，但是造成资源大量浪费，而且管理困难。
第二种方案，商场雇佣20个导购员，对需要咨询的顾客进行处理，处理完，在处理剩下的顾客。

我们用代码来简单的演示一遍：

func loop() {
    for i := 0; i <10 ; i++ {
        fmt.Printf("%d ", i)
    }
}
func main() {
   go loop() // 启动一个goroutine
    loop()
}

我们看下运行结果。

第一次：0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 

第二次：0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 

第三次：0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 

我们发现每次运行的结果都不同，这是因为goroutine当前流程不会阻塞,不会等待该任务启动,且运行时也不保证并发任务的执行次序。

总结

许多人可能认为goroutine比线程运行的更快，这是一个误解goroutine并不会更快，它只是增加了更多的并发性。当一goroutine被阻塞（比如等待IO）,golang的调度器会调度其它可以执行的goroutine运行。与线程相比，它有以下几个优点：

优点：

• 内存消耗更少：Goroutine所需要的内存通常只有2kb，而线程则需要1Mb

• 创建与销毁的开销更小:由于线程创建时需要向操作系统申请资源，并且在销毁时将资源归还，因此它的创建和销毁的开销比较大。相比之下，goroutine的创建和销毁是由go语言在运行时自己管理的，因此开销更低。

• 切换开销更小线程的调度方式是抢占式的，如果一个线程的执行时间超过了分配给它的时间片，就会被其它可执行的线程抢占;而goroutine的调度是协同式的，它不会直接地与操作系统内核打交道。

缺点：

• 协程调度机制无法实现公平调度：因为协程的调度是非入侵式的，系统不会为他分配资源。