Golang（三）Goroutine原理

前言

• 最近用到了一些 Golang 异步编程的地方，感觉 Golang 相对于其他语言（如 Java）对多线程编程的支持非常大，使用起来也非常方便。于是决定了解一下 Goroutine 的底层原理。
• Goroutine 本质是协程，是实现并行计算的核心。只需要在对应的函数前加上 Go 关键词即可异步执行：

go func() {
}()

基本概念

• 并发：一段时间内执行多个程序，即在一个 cpu 上切换着执行多项任务，宏观上是同时的，微观上是顺序执行
• 并行：同时执行多个程序，即在多个 cpu 上同时运行不同任务，不需要上下文切换执行不同任务达到宏观同时进行的效果
• 进程：进程是计算机中的程序关于某数据集合上的一次运行活动，是系统进行资源分配和调度的基本单位。是具有独立功能的程序关于某个数据集合的一次运行活动。它可以申请和拥有系统资源，是一个动态的概念，是一个活动的实体
• 线程：线程是进程的一个实体，是 cpu 调度和分派的基本单位，它是比进程更小的能独立运行的基本单位。线程自己基本上不拥有系统资源，只拥有一点在运行中必不可少的资源（如程序计数器、一组寄存器和栈），但是它可与同属一个进程的其他的线程共享进程所拥有的全部资源。线程间通信主要通过共享内存，上下文切换较快，资源开销较少
• 协程：是一种用户态的轻量级线程，协程的调度完全由用户控制。线程和进程的操作是由程序触发系统接口，最后的执行者是系统；协程的操作执行者则是用户自身程序。协程拥有自己的寄存器上下文和栈。协程调度切换时，将寄存器上下文和栈保存到其他地方，在切回来的时候，恢复先前保存的寄存器上下文和栈，直接操作栈则基本没有内核切换的开销，可以不加锁的访问全局变量，所以上下文的切换非常快。Goroutine 就是一种协程

调度模型

• Goroutine 并发调度通过 GPM 模型实现，包含四个结构：M、G、P、Sched：
  • M：代表内核级线程，一个 M 对应一个线程
  • G：代表一个 Goroutine，包含自己的栈、程序计数器等信息
  • P：指处理器，主要用途是用来执行 Goroutine，维护一个 Goroutine 队列，同时还有一个全局队列。每一个运行的 M 都必须绑定一个 P，就像线程必须在么一个 cpu 核上执行一样
  • Sched：代表调度器，维护 M 和 G 的队列和状态信息

• 如上图，2 个 M，每个 M 拥有 1 个 P 和 1 个正在运行的 G。
• P 的数量可以通过 GOMAXPROCS() 设置，代表有多少个 Goroutine 可以同时运行。

调用异步

• 执行 go func() 时，会在队列尾部加入一个 Goroutine。
• 如果此时还有空闲的 P，则创建一个 M。M 会启动一个底层线程，循环执行能找到的 G 任务。
• G 任务的执行任务是：先从本地队列找，本地没有则从全局队列找。一次转移 num(G)/num(P) 个任务，再去其他 P 中获取队列一半的任务。

监视超时

• 启动一个 G 时，会专门创建一个 Sysmon，用来监视和管理。记录所有 P 的 G 任务计数 schedtick（schedtick 会在每执行一个 G 任务后递增）。
• 如果检查到 schedtick 一直没有递增，说明这个 P 一直在执行同一个 G 任务，如果超过一定时间（10ms），就在这个 G 任务的栈信息里加一个标记。
• 内联函数执行时发现标记则中断自己，把自己加到队列末尾；非内联函数则会忽视标记，一直执行到结束。

中断恢复

• 对于一个 G 任务中断后：中断时将寄存器信息保存在 G 对象里，再次执行时将栈信息复制到寄存器里，继续执行。

首次启动

• 系统启动时主线程启动，第一个 M1 就是主线程，M1 会绑定一个 P。
• main 函数作为第一个 Goroutine 执行。
• main 里其他的 Goroutine 会绑定到当前 M1 的 P1 上。
• 执行 main 里的 Goroutine 时，会创建新的 M2，新 M2 的初始 P2 本地任务队列时空的，会从 P1 取一些过来。
• 然后依此类推直到 M 数量达到限制。

参考文献

• go语言之行--golang核武器goroutine调度原理、channel详解
• 进程、线程、协程之概念理解
• 进程和线程、协程的区别
• golang的goroutine调度机制