Go語言中并發(fā)的工作原理

更新時間：2022年07月16日 08:47:49 作者：奮斗的大橙子

本文詳細講解了Go語言中并發(fā)的工作原理，對大家的學(xué)習(xí)或者工作具有一定的參考學(xué)習(xí)價值，需要的朋友們下面隨著小編來一起學(xué)習(xí)學(xué)習(xí)吧

一、Go語言中Goroutine的基本原理

Go語言里的并發(fā)指的是能讓某個函數(shù)獨立于其他函數(shù)運行的能力。

Go語言的goroutine是一個獨立的工作單元，

Go 語言的并發(fā)同步模型來自一個叫作通信順序進程（Communicating Sequential Processes，CSP）的范型（paradigm）。

CSP 是一種消息傳遞模型，通過在goroutine 之間傳遞數(shù)據(jù)來傳遞消息，而不是對數(shù)據(jù)進行加鎖來實現(xiàn)同步訪問。消息的傳遞通過Go語言中的Channel（通道）來實現(xiàn)。

進程(process) 看作一個包含了應(yīng)用程序在運行中需要用到和維護的各種資源的容器。

線程(Thread)是一個執(zhí)行空間，這個空間會被操作系統(tǒng)調(diào)度來運行函數(shù)中所寫的代碼。

每個進程至少包含一個線程，每個進程的初始線程被稱作主線程。因為執(zhí)行這個線程的空間是應(yīng)用程序的本身的空間，所以當(dāng)主線程終止時，應(yīng)用程序也會終止。

下圖就是進程和線程的簡要關(guān)系。

補充：句柄是什么？

我的理解句柄就是給用戶操作內(nèi)核資源的指針，指向指針的指針。【把手】和【門】的關(guān)系，使用們把手能轉(zhuǎn)動整個門（系統(tǒng)資源）

操作系統(tǒng)會在物理處理器上調(diào)度線程來運行，而Go 語言的運行時會在邏輯處理器上調(diào)度goroutine來運行。每個邏輯處理器都分別綁定到單個操作系統(tǒng)線程。下面我們就來簡單描述一下goroutine執(zhí)行的流程。

首先來了解一下操作系統(tǒng)線程、邏輯處理器和本地運行隊列

全局運行隊列：剛創(chuàng)建的goruntine會被安排到這里面，通過一些調(diào)度算法，分配給邏輯處理器

操作系統(tǒng)線程：這個就是傳統(tǒng)意義上的線程，用于具體goroutine的執(zhí)行，他會和一個邏輯器進行綁定

邏輯處理器：里面維護著一個本地的隊列，用于本地隊列里面goroutine的調(diào)度

本地運行隊列：裝載著待執(zhí)行的goruntine

支撐整個調(diào)度器的主要有4個重要結(jié)構(gòu)，分別是M、G、P、Sched，前三個定義在runtime.h中，Sched定義在proc.c中。

Sched結(jié)構(gòu)就是調(diào)度器，它維護有存儲M和G的隊列以及調(diào)度器的一些狀態(tài)信息等。
M代表內(nèi)核級線程，一個M就是一個線程，goroutine就是跑在M之上的；M是一個很大的結(jié)構(gòu)，里面維護小對象內(nèi)存cache（mcache）、當(dāng)前執(zhí)行的goroutine、隨機數(shù)發(fā)生器等等非常多的信息。
P全稱是Processor，處理器，它的主要用途就是用來執(zhí)行g(shù)oroutine的，所以它也維護了一個goroutine隊列，里面存儲了所有需要它來執(zhí)行的goroutine，這個P的角色可能有一點讓人迷惑，一開始容易和M沖突，后面重點聊一下它們的關(guān)系。
G就是goroutine實現(xiàn)的核心結(jié)構(gòu)了，G維護了goroutine需要的棧、程序計數(shù)器以及它所在的M等信息。

整個過程描述：

當(dāng)創(chuàng)建一個Goroutine的時候，先放到全局隊列當(dāng)中，然后會把這個Goroutine分配到一個邏輯處理器的本地隊列中，這個邏輯處理器會綁定一個操作系統(tǒng)線程，由這個線程去執(zhí)行Goroutine的代碼。

生動描述：

地鼠(gopher)用小車運著一堆待加工的磚。M就可以看作圖中的地鼠，P就是小車，G就是小車里裝的磚。一圖勝千言啊，弄清楚了它們?nèi)叩年P(guān)系，下面我們就開始重點聊地鼠是如何在搬運磚塊的。

1.runqget, 地鼠(M)試圖從自己的小車(P)取出一塊磚(G)，當(dāng)然結(jié)果可能失敗，也就是這個地鼠的小車已經(jīng)空了，沒有磚了。

2.findrunnable, 如果地鼠自己的小車中沒有磚，那也不能閑著不干活是吧，所以地鼠就會試圖跑去工場倉庫取一塊磚來處理；工場倉庫也可能沒磚啊，出現(xiàn)這種情況的時候，這個地鼠也沒有偷懶停下干活，而是悄悄跑出去，隨機盯上一個小伙伴(地鼠)，然后從它的車里試圖偷一半磚到自己車里。如果多次嘗試偷磚都失敗了，那說明實在沒有磚可搬了，這個時候地鼠就會把小車還回停車場，然后睡覺休息了。如果地鼠睡覺了，下面的過程當(dāng)然都停止了，地鼠睡覺也就是線程sleep了。

3.wakep, 到這個過程的時候，可憐的地鼠發(fā)現(xiàn)自己小車里有好多磚啊，自己根本處理不過來；再回頭一看停車場居然有閑置的小車，立馬跑到宿舍一看，你妹，居然還有小伙伴在睡覺，直接給屁股一腳，“你妹，居然還在睡覺，老子都快累死了，趕緊起來干活，分擔(dān)點工作。”，小伙伴醒了，拿上自己的小車，乖乖干活去了。有時候，可憐的地鼠跑到宿舍卻發(fā)現(xiàn)沒有在睡覺的小伙伴，于是會很失望，最后只好向工場老板說——”停車場還有閑置的車啊，我快干不動了，趕緊從別的工場借個地鼠來幫忙吧。”，最后工場老板就搞來一個新的地鼠干活了。

4.execute，地鼠拿著磚放入火種歡快的燒練起來。

注： “地鼠偷磚”叫work stealing，一種調(diào)度算法。

到這里，貌似整個工場都正常的運轉(zhuǎn)起來了，無懈可擊的樣子。不對，還有一個疑點沒解決啊，假設(shè)地鼠的車里有很多磚，它把一塊磚放入火爐中后，何時把它取出來，放入第二塊磚呢？難道要一直把第一塊磚燒練好，才取出來嗎？那估計后面的磚真的是等得花兒都要謝了。這里就是要真正解決goroutine的調(diào)度，上下文切換問題。

goroutine的阻塞

當(dāng)一個OS線程M0陷入阻塞時（如下圖)，P轉(zhuǎn)而在運行M1，圖中的M1可能是正被創(chuàng)建，或者從線程緩存中取出。

簡單解釋就是，當(dāng)當(dāng)前的Goroutine在阻塞，就把他和當(dāng)前線程綁定，讓當(dāng)前的線程繼續(xù)執(zhí)行這個Goroutine（就是等待），其他的goroutine隨著邏輯處理器被綁定到另一個線程上，繼續(xù)執(zhí)行。

當(dāng)阻塞的線程返回時，它必須嘗試取得一個邏輯處理器來運行g(shù)oroutine，一般情況下，它會從其他的OS線程那里拿一個P過來，如果沒有拿到的話，它就把goroutine放在一個全局運行隊列里，然后自己睡眠（放入線程緩存里）。所有的P也會周期性的檢查global runqueue并運行其中的goroutine，否則global runqueue上的goroutine永遠無法執(zhí)行。

還有就像下面的圖片，左邊的線程一個滿載狀態(tài)，一個沒有g(shù)oroutine，此時的做法就是會進行重新分配，就想右側(cè)圖展示