進(jìn)程、線程和協(xié)程

要理解甚么是goroutine，我們先來(lái)看看進(jìn)程、線程和協(xié)程它們之間的區(qū)分，這能幫助我們更好的理解goroutine。

進(jìn)程：分配完全獨(dú)立的地址空間，具有自己獨(dú)立的堆和棧，既不同享堆，亦不同享?xiàng)＃M(jìn)程的切換只產(chǎn)生在內(nèi)核態(tài)，由操作系統(tǒng)調(diào)度。
線程：和其它本進(jìn)程的線程同享地址空間，具有自己獨(dú)立的棧和同享的堆，同享堆，不同享?xiàng)＃€程的切換1般也由操作系統(tǒng)調(diào)度(標(biāo)準(zhǔn)線程是的)。
協(xié)程：和線程類似，同享堆，不同享?xiàng)＃瑓f(xié)程的切換1般由程序員在代碼中顯式控制。

進(jìn)程和線程的切換主要依賴于時(shí)間片的控制（關(guān)于進(jìn)程和線程的調(diào)度方式，具體可參看這篇文章：http://blog.chinaunix.net/uid⑵0476365-id⑴942505.html），而協(xié)程的切換則主要依賴于本身，這樣的好處是避免了無(wú)意義的調(diào)度，由此可以提高性能，但也因此，程序員必須自己承當(dāng)調(diào)度的責(zé)任。

goroutine可以看做是協(xié)程的go語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)，從百度百科上看協(xié)程的定義：與子例程1樣，協(xié)程（coroutine）也是1種程序組件。相對(duì)子例程而言，協(xié)程更加1般和靈活，但在實(shí)踐中使用沒(méi)有子例程那樣廣泛。實(shí)際上，我們可以把子例程當(dāng)作是協(xié)程的1種特例。1般來(lái)講，如果沒(méi)有顯式的讓出CPU，就會(huì)1直履行當(dāng)前協(xié)程。

淺析goroutine

我們知道goroutine是協(xié)程的go語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)，它是語(yǔ)言原生支持的，相對(duì)1般由庫(kù)實(shí)現(xiàn)協(xié)程的方式，goroutine更加強(qiáng)大，它的調(diào)度1定程度上是由go運(yùn)行時(shí)（runtime）管理。其好處之1是，當(dāng)某goroutine產(chǎn)生阻塞時(shí)（例猶如步IO操作等），會(huì)自動(dòng)出讓CPU給其它goroutine。

goroutine的使用非常簡(jiǎn)單，例如foo是1個(gè)函數(shù)：

就1個(gè)關(guān)鍵字go弄定了，這里會(huì)啟動(dòng)1個(gè)goroutine履行foo函數(shù)，然后CPU繼續(xù)履行后面的代碼。這里雖然啟動(dòng)了goroutine，但其實(shí)不意味著它會(huì)得到馬上調(diào)度，關(guān)于goroutine的調(diào)度我們稍后再探討。

goroutine是非常輕量級(jí)的，它就是1段代碼，1個(gè)函數(shù)入口，和在堆上為其分配的1個(gè)堆棧（初始大小為4K，會(huì)隨著程序的履行自動(dòng)增長(zhǎng)刪除）。所以它非常便宜，我們可以很輕松的創(chuàng)建上萬(wàn)個(gè)goroutine。

go運(yùn)行時(shí)調(diào)度

默許的, 所有g(shù)oroutine會(huì)在1個(gè)原生線程里跑，也就是只使用了1個(gè)CPU核。在同1個(gè)原生線程里，如果當(dāng)前goroutine不產(chǎn)生阻塞，它是不會(huì)讓出CPU時(shí)間給其他同線程的goroutines的。除被系統(tǒng)調(diào)用阻塞的線程外，Go運(yùn)行庫(kù)最多會(huì)啟動(dòng)$GOMAXPROCS個(gè)線程來(lái)運(yùn)行g(shù)oroutine。

那末goroutine究竟是如何被調(diào)度的呢?我們從go程序啟動(dòng)開(kāi)始說(shuō)起。在go程序啟動(dòng)時(shí)會(huì)首先創(chuàng)建1個(gè)特殊的內(nèi)核線程sysmon，從名字就能夠看出來(lái)它的職責(zé)是負(fù)責(zé)監(jiān)控的，goroutine背后的調(diào)度可以說(shuō)就是靠它來(lái)弄定。

接下來(lái)，我們?cè)倏纯此恼{(diào)度模型，go語(yǔ)言當(dāng)前的實(shí)現(xiàn)是N:M。即1定數(shù)量的用戶線程映照到1定數(shù)量的OS線程上，這里的用戶線程在go中指的就是goroutine。go語(yǔ)言的調(diào)度模型需要弄清楚3個(gè)概念：M、P和G，以下圖表示：

M代表OS線程，G代表goroutine，P的概念比較重要，它表示履行的上下文，其數(shù)量由$GOMAXPROCS決定，1般來(lái)講正好等于處理器的數(shù)量。M必須和P綁定才能履行G，調(diào)度器需要保證所有的P都有G履行，以保證并行度。以下圖：

從圖中我們可以看見(jiàn)，當(dāng)前有兩個(gè)P，各自綁定了1個(gè)M，并分別履行了1個(gè)goroutine，我們還可以看見(jiàn)每一個(gè)P上還掛了1個(gè)G的隊(duì)列，這個(gè)隊(duì)列是代表私有的任務(wù)隊(duì)列，它們實(shí)際上都是runnable狀態(tài)的goroutine。當(dāng)使用go關(guān)鍵字聲明時(shí),1個(gè)goroutine便被加入到運(yùn)行隊(duì)列的尾部。1旦1個(gè)goroutine運(yùn)行到1個(gè)調(diào)度點(diǎn),上下文便從運(yùn)行隊(duì)列中取出1個(gè)goroutine, 設(shè)置好棧和指令指針,便開(kāi)始運(yùn)行新的goroutine。

那末go中切換goroutine的調(diào)度點(diǎn)有哪些呢？具體有以下3種情況

• 調(diào)用runtime?gosched函數(shù)。goroutine主動(dòng)放棄CPU，該goroutine會(huì)被設(shè)置為runnable狀態(tài)，然后放入1個(gè)全局等待隊(duì)列中，而P將繼續(xù)履行下1個(gè)goroutine。使用runtime?gosched函數(shù)是1個(gè)主動(dòng)的行動(dòng)，1般是在履行長(zhǎng)任務(wù)時(shí)又想其它goroutine得到履行的機(jī)會(huì)時(shí)調(diào)用。
• 調(diào)用runtime?park函數(shù)。goroutine進(jìn)入waitting狀態(tài)，除非對(duì)其調(diào)用runtime?ready函數(shù)，否則該goroutine將永久不會(huì)得到履行。而P將繼續(xù)履行下1個(gè)goroutine。使用runtime?park函數(shù)1般是在某個(gè)條件如果得不到滿足就不能繼續(xù)運(yùn)行下去時(shí)調(diào)用，當(dāng)條件滿足后需要使用runtime?ready以喚醒它（這里喚醒以后是不是會(huì)加入全局等待隊(duì)列還有待研究）。像channel操作，定時(shí)器中，網(wǎng)絡(luò)poll等都有可能park goroutine。
• 慢系統(tǒng)調(diào)用。這樣的系統(tǒng)調(diào)用會(huì)阻塞等待，為了使該P(yáng)上掛著的其它G也能得到履行的機(jī)會(huì)，需要將這些goroutine轉(zhuǎn)到另外一個(gè)OS線程上去。具體的做法是：首先將該P(yáng)設(shè)置為syscall狀態(tài)，然后該線程進(jìn)入系統(tǒng)調(diào)用阻塞等待。之條件到過(guò)的sysmom線程會(huì)定期掃描所有的P，發(fā)現(xiàn)1個(gè)P處于了syscall的狀態(tài)，就將M和P分離（實(shí)際上只有當(dāng) Syscall 履行時(shí)間超越某個(gè)閾值時(shí)，才會(huì)將 M 與 P 分離）。RUNTIME會(huì)再分配1個(gè)M和這個(gè)P綁定，從而繼續(xù)履行隊(duì)列中的其它G。而當(dāng)之前阻塞的M從系統(tǒng)調(diào)用中返回后，會(huì)將該goroutine放入全局等待隊(duì)列中，自己則sleep去。
  
  該圖描寫(xiě)了M和P的分離進(jìn)程。

調(diào)度點(diǎn)的情況說(shuō)清楚了，但全部模型還其實(shí)不完全。我們知道當(dāng)使用go去調(diào)用1個(gè)函數(shù)，會(huì)生成1個(gè)新的goroutine放入當(dāng)前P的隊(duì)列中，那末甚么時(shí)候生成別的OS線程，各個(gè)OS線程又是如何做負(fù)載均衡的呢？

當(dāng)M從隊(duì)列中拿到1個(gè)可履行的G后，首先會(huì)去檢查1下，自己的隊(duì)列中是不是還有等待的G，如果還有等待的G，并且也還有空閑的P，此時(shí)就會(huì)通知runtime分配1個(gè)新的M（如果有在睡覺(jué)的OS線程，則直接喚醒它，沒(méi)有的話則生成1個(gè)新的OS線程）來(lái)分擔(dān)負(fù)務(wù)。

如果某個(gè)M發(fā)現(xiàn)隊(duì)列為空以后，會(huì)首先從全局隊(duì)列中取1個(gè)G來(lái)處理。如果全局隊(duì)列也空了，則會(huì)隨機(jī)從別的P那里直接截取1半的隊(duì)列過(guò)來(lái)（偷竊任務(wù)），如果發(fā)現(xiàn)所有的P都沒(méi)有可供偷竊的G了，該M就會(huì)墮入沉睡。

全部調(diào)度模型大致就是這模樣了，和所有協(xié)程的調(diào)度1樣，在響應(yīng)時(shí)間上，這類協(xié)作式調(diào)度是硬傷。很容易致使某個(gè)協(xié)程長(zhǎng)時(shí)間沒(méi)法得到履行。但整體來(lái)講，它帶來(lái)的好處更加讓人驚嘆。想要了解的更多可以看看我下面列出的1些參考資料，或是直接看它的源碼：http://golang.org/src/runtime/proc.c

總綱傳送門(mén)：golang技術(shù)隨筆總綱

參考資料

1. 協(xié)程
2. goroutine背后的系統(tǒng)知識(shí)
3. The Go scheduler
4. goroutine與調(diào)度器