Go：goroutine的切换涉及哪些内容？

【译文】原文地址
本文基于Go 1.13版本
Goroutine十分轻量，只需要2kg的内存堆栈就可以运行。而且goroutine的切换涉及到的操作也很少，因此运行成本也很低。在深入goroutine切换前，让我们回顾下从高层次上切换是如何工作的。

在继续本文之前，我强烈建议阅读文章Go：goroutine, OS thread and CPU management来理解本文中的概念。

Cases

Go基于两种中断会将goroutine调度到操作系统线程上去：

• 当一个goroutine阻塞：如遇到系统调用、互斥锁或channel。阻塞的goroutine会进入睡眠或者进入调度队列，允许Go调度或运行其他等待中的goroutine。
• 在函数调用期间，如果goroutine必须增加其堆栈。这个中断允许Go调度其他的goroutine避免正在运行的goroutine占用CPU。

在这两种情况下，运行调度程序的g0将用另一个准备运行的goroutine替换当前的goroutine。然后，被选中的goroutine取代g0并在线程中运行。

更多关于g0的内容，可以阅读Go: g0特殊的goroutine。
切换一个正在运行的goroutine包含两个切换操作：

• 正在运行的g到g0

  
  
  g切换到g0

• g0切换到下一个将要运行的g

  
  
  g0切换到新的g
  
  

  在Go当中，goroutine的切换是非常轻量的。为了保存状态，只需做两件事：

• goroutine在被放弃调度前，停止在当前运行所在行。当前要运行的指令保存在程序计数器当中。goroutine稍后将在同一点恢复。
• goroutine的堆栈，以便再次执行时，恢复局部变量。

让我看看实际时是如何工作的。

程序计数器

为了案例演示，我将使用channel来实现goroutine间的通信，一个goroutine产生数据其他消费数据：

package main

import "sync"

func main() {
    var wg sync.WaitGroup
    c := make(chan int, 10)
    wg.Add(1)
    go func() {
        for i:=0;i<100;i++{
            c <- i
        }
        close(c)
        wg.Done()
    }()
    for i:=0;i<3;i++{
        wg.Add(1)
        go func() {
            for v := range c{
                if v % 2 ==0{
                    println(v)
                }
            }
            wg.Done()
        }()
    }
    wg.Wait()
}

消费者将打印从0-99的偶数。我们将重点讨论第一个goroutine-生产者：向channel缓冲中添加数据。当channel缓冲区满，再发送数据就会阻塞。此时，Go必须切换到g0然后调度其他goroutine。
如前所述，Go首先需要保存当前指令，以便当恢复goroutine时执行同一指令。程序计数器保存在goroutine的内部结构中。以下是上面的代码的一个例子：

指令和它们的地址可以通过go工具objdump找到。以下是生产者指令：

goroutine在执行一条条指令，遇到channel缓存填满继续执行函数runtime.chansend1时阻塞。Go保存当前程序计数器到当前goroutine的内部字段中。在以上例子中，Go保存程序计数器的地址是：0x4268d0，它位于运行时和runtime.chansend1中：

然后，当g0唤醒goroutine时，它将继续执行相同的指令，循环这些值并发送到channel。下面讨论goroutine切换时栈的管理。

Stack

在被阻塞之前，正在运行的goroutine有它原有堆栈，这个栈包含临时变量如i：

然后，当它阻塞在channel的发送时，该goroutine将随着它的堆栈切换到包含一个更大堆栈的g0：

切换之前，堆栈将被保护，以便goroutine再次运行时能恢复堆栈：

我们现在对goroutine的切换包含不同操作有了一个完整的认识。下面看看切换是如何影响性能的。
我们应该注意到，一些架构例如arm，需要多保存一个寄存器，LR链接器。

Operations

为了衡量切换所需时间，我们将使用前面看到的程序为例。然而，这个例子并不能完美的展示性能损耗视图，因为它依赖寻找下一个需要调度的goroutine所需时间。这种方式下goroutine的切换也会影响性能。相比从阻塞的channel中切换，从一个函数中切换包含更多的操作。
让我们总结下我们需要测量的操作：

• 当前g阻塞在channel上然后切换到g0:
  1、PC和栈指针将保存到goroutine内部结构当中
  2、g0 被设置为运行的goroutine
  3、g0的堆栈替换当前goroutine的栈
• g0将寻找其他goroutine来运行

• g0需要切换为选中的goroutine：
  1、将PC和栈指针从被选中的g内部结构中提取
  2、程序跳转到提取出的PC地址上
  如下所示：

  
  
  
  

  从g到g0或g0到g是最快阶段，与调度器寻找下一个将运行的goroutine需要检查很多资源相比，他们包含少量固定的指令。根据正在运行的程序，寻找下一个将运行的goroutine阶段可能需要消耗更多的时间。