0. 簡介

傳統(tǒng)的并發(fā)編程模型是基于線程和共享內(nèi)存的同步訪問控制的，共享數(shù)據(jù)受鎖的保護(hù)，線程將爭奪這些鎖以訪問數(shù)據(jù)。通常而言，使用線程安全的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)會(huì)使得這更加容易。Go的并發(fā)原語（goroutine和channel）提供了一種優(yōu)雅的方式來構(gòu)建并發(fā)模型。Go鼓勵(lì)在goroutine之間使用channel來傳遞數(shù)據(jù)，而不是顯式地使用鎖來限制對(duì)共享數(shù)據(jù)的訪問。

Do not communicate by sharing memory; instead, share memory by communicating.

這就是Go的并發(fā)哲學(xué)，它依賴CSP(Communicating Sequential Processes)模型，它經(jīng)常被認(rèn)為是 Go 在并發(fā)編程上成功的關(guān)鍵因素。

本文將介紹Go并發(fā)編發(fā)編程的的第一個(gè)議題：goroutine的實(shí)現(xiàn)及其調(diào)度原理。

1. 進(jìn)程、線程和協(xié)程

進(jìn)程，是一段程序的執(zhí)行過程，是指令、數(shù)據(jù)及其組織形式的描述，進(jìn)程是正在執(zhí)行的程序的實(shí)例。進(jìn)程擁有自己的獨(dú)立空間。

傳統(tǒng)的操作系統(tǒng)中，每個(gè)進(jìn)程有一個(gè)地址空間和至少一個(gè)控制線程，這幾乎可以認(rèn)為是進(jìn)程的定義。而這個(gè)地址空間中，可以存在多個(gè)控制線程的情形，這些線程可以理解為輕量級(jí)的進(jìn)程，除了他們共享地址空間。多線程有以下好處：

• 在許多應(yīng)用中同時(shí)發(fā)生著多種活動(dòng)，其中某些活動(dòng)會(huì)被阻塞，比如I/O操作，而某些程序則需要響應(yīng)迅速，比如界面請(qǐng)求，因此多線程的程序設(shè)計(jì)模型會(huì)變得更簡單；
• 線程比進(jìn)程更加輕量級(jí)，所以其創(chuàng)建、銷毀和上下文切換都更快；
• 在多CPU的系統(tǒng)中，多線程可以實(shí)現(xiàn)真正的并行。

在操作系統(tǒng)中，進(jìn)程是操作系統(tǒng)資源分配的單位；線程是處理器調(diào)度和執(zhí)行的基本單位。

Linux中的進(jìn)程和線程

在Linux中，所有的線程都當(dāng)做進(jìn)程來實(shí)現(xiàn)，二者的區(qū)別在于：進(jìn)程擁有自己的頁表（即地址空間），而線程沒有，只能和同一進(jìn)程內(nèi)的其他線程共享同一份頁表。這個(gè)區(qū)別的根本原因在于二者調(diào)用系統(tǒng)時(shí)的傳參不同而已。

在Linux2.3.3開始，glibc的fork()函數(shù)創(chuàng)建進(jìn)程時(shí)是調(diào)用系統(tǒng)調(diào)用clone(2)時(shí)指定flags為SIGCHLD（共享信號(hào)句柄表）。而pthread_create創(chuàng)建線程時(shí)，內(nèi)部也是調(diào)用clone函數(shù)，其指定的flags如下：

const int clone_flags = (CLONE_VM | CLONE_FS | CLONE_FILES | CLONE_SYSVSEM
                            | CLONE_SIGHAND | CLONE_THREAD 
                            | CLONE_SETTLS | CLONE_PARENT_SETTID 
                            | CLONE_CHILD_CLEARTID 
                            | 0);

clone的函數(shù)形式如下：

int clone(int (* fn )(void *), void * stack , int flags , void * arg , ...
                 /* pid_t * parent_tid , void * tls , pid_t * child_tid */ ); 

其實(shí)Docker底層實(shí)現(xiàn)隔離技術(shù)，也利用了clone函數(shù)這一系統(tǒng)調(diào)用。

1.1 線程模型

線程可以分為內(nèi)核線程和用戶線程，用戶線程必須依托于內(nèi)核線程，實(shí)現(xiàn)調(diào)度，這樣就帶來了三種線程模型：多對(duì)一（M:1）、一對(duì)一（1:1）和多對(duì)多（M:N）（用戶線程對(duì)內(nèi)核線程）。一個(gè)用戶線程必須綁定一個(gè)內(nèi)核線程才能執(zhí)行，不過CPU并不知道有用戶線程的存在。

1.1.1 多對(duì)一用戶級(jí)線程模型

這種模型是多個(gè)用戶線程對(duì)應(yīng)一個(gè)內(nèi)核調(diào)度線程，所有的線程的創(chuàng)建、銷毀和調(diào)度都由用戶空間的線程庫實(shí)現(xiàn)，內(nèi)核不感知這些線程的切換。優(yōu)點(diǎn)是線程的上下文切換之間不需要陷入內(nèi)核，速度快。缺點(diǎn)是一旦有一個(gè)用戶線程有阻塞性的系統(tǒng)調(diào)用，比如I/O操作時(shí)，系統(tǒng)內(nèi)核接管后，會(huì)阻塞所有的線程。另外，在多處理器的機(jī)器上，這種線程模型是沒有意義的，無法發(fā)揮多核系統(tǒng)的優(yōu)勢。

1.1.2 一對(duì)一內(nèi)核級(jí)線程模型

一對(duì)一模型中，每個(gè)用戶線程擁有一個(gè)對(duì)應(yīng)的內(nèi)核調(diào)度線程，也就是說，內(nèi)核會(huì)對(duì)每個(gè)線程進(jìn)行調(diào)度。也因此，線程的創(chuàng)建、銷毀和上下文切換，都會(huì)陷入到內(nèi)核態(tài)。目前，Linux采用的NPTL(Native POSIX Threads Library)的線程模型就是一對(duì)一模型。比如以下例子：

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <pthread.h>

void *f(void *arg){
    if (!arg) {
        printf("arg is NULL\n");
    } else {
        printf("%s\n", (char *)arg);
    }

    sleep(100);
    return NULL;
}

int main() {
    pthread_t p1, p2;
    int res;
    char *p2String = "I am p2!";

    // 創(chuàng)建p1線程
    res = pthread_create(&p1, NULL, f, NULL);
    if (res != 0) {
        printf("創(chuàng)建線程1失??！\n");
        return 0;
    }
    printf("創(chuàng)建線程1\n");
    sleep(5);

    // 創(chuàng)建p1線程
    res = pthread_create(&p2, NULL, f, (void *)p2String);
    if (res != 0) {
        printf("創(chuàng)建線程2失??！\n");
        return 0;
    }
    printf("創(chuàng)建線程2\n");
    sleep(100);

    return 0;
}

在程序中，我們創(chuàng)建了兩個(gè)線程，執(zhí)行如下：

$ gcc thread.c -o thread_c -lpthread

$ ./thread_c
創(chuàng)建線程1
arg is NULL
創(chuàng)建線程2
I am p2!

然后查看進(jìn)程號(hào)和此進(jìn)程下的線程數(shù)。

$ ps -ef | grep thread_c
chenyig+   5293   5087  0 19:02 pts/0    00:00:00 ./thread_c
chenyig+   5459   5347  0 19:03 pts/1    00:00:00 grep --color=auto thread_c

$ cat /proc/5293/status | grep Threads
Threads:    3

之所以線程數(shù)是3，是因?yàn)橄到y(tǒng)啟動(dòng)進(jìn)程的時(shí)候就自帶一個(gè)線程，再加上創(chuàng)建的兩個(gè)線程，所以總數(shù)是3，這也證明了Linux的線程模型是1:1的。

1.1.3 多對(duì)多兩級(jí)線程模型

在多對(duì)多模型中，結(jié)合了1:1模型和M:1模型的優(yōu)點(diǎn)，避免了他們的缺點(diǎn)。每個(gè)用戶線程擁有多個(gè)內(nèi)核調(diào)度線程，也可以多個(gè)用戶線程對(duì)應(yīng)一個(gè)調(diào)度實(shí)體。缺點(diǎn)是線程的調(diào)度需要內(nèi)核態(tài)和用戶態(tài)一起實(shí)現(xiàn)，導(dǎo)致模型實(shí)現(xiàn)十分復(fù)雜。NPTL也曾考慮過使用該模型，但是實(shí)現(xiàn)太過復(fù)雜，需要對(duì)內(nèi)核進(jìn)行大范圍的改動(dòng)，所以還是采用了1:1模型?，F(xiàn)階段，Go中的協(xié)程goroutine就是采用該模型實(shí)現(xiàn)的。

package main

import (
   "fmt"
   "sync"
   "time"
)

func f(i int) {
   fmt.Printf("I am goroutine %d\n", i)
   time.Sleep(100 * time.Second)
}

func main() {
   wg := sync.WaitGroup{}
   for i := 0; i < 100; i++ {
      idx := i
      wg.Add(1)
      go func() {
         defer wg.Done()
         f(idx)
      }()
   }
   wg.Wait()
}

運(yùn)行后：

$ go build -o thread_go goroutine.go

$ ./thread_go
I am goroutine 7
I am goroutine 4
I am goroutine 0
I am goroutine 6
I am goroutine 1
I am goroutine 2
I am goroutine 9
I am goroutine 3
I am goroutine 5
I am goroutine 8

然后查看進(jìn)程號(hào)和此進(jìn)程下的線程數(shù)。

$ ps -ef | grep thread_go
chenyig+  69705  67603  0 17:17 pts/0    00:00:00 ./thread_go
chenyig+  69735  68420  0 17:17 pts/2    00:00:00 grep --color=auto thread_go

$ cat /proc/69705/status | grep Threads
Threads:    5

可以看到，用戶線程（goroutine）和內(nèi)核線程并不是一一對(duì)應(yīng)的，而是多對(duì)多的情形。

2. GMP模型

Go在2012年正式引入GMP模型，然后在1.2版本中引入了協(xié)作式的搶占式調(diào)度，在1.14版本中實(shí)現(xiàn)了基于信號(hào)的搶占式調(diào)度，并一直沿用至今。

GMP模型中：

• G：取Goroutine的首字母，即用戶態(tài)的線程，也叫協(xié)程；
• M：取Machine的首字母，和內(nèi)核線程一一對(duì)應(yīng)，為簡單理解，我們可以認(rèn)為其就是內(nèi)核線程；
• P：取Processor的首字母，表示處理器（可以理解成用戶態(tài)的協(xié)程調(diào)度器），是G和M之間的中間層，負(fù)責(zé)協(xié)程調(diào)度。

2.1 G

Goroutine是Go語言調(diào)度器中執(zhí)行的任務(wù)實(shí)體，其在runtime調(diào)度器中的地位與線程在操作系統(tǒng)中的差不多。作為更細(xì)粒度的資源調(diào)度單元，和線程相比，其占用更小的內(nèi)存和更低的上下文切換開銷。

Goroutine在運(yùn)行時(shí)的結(jié)構(gòu)體是runtime.g，其結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，我們挑選一些重要的字段進(jìn)行介紹。

type g struct {
   // Stack parameters.
   // stack describes the actual stack memory: [stack.lo, stack.hi).
   // stackguard0 is the stack pointer compared in the Go stack growth prologue.
   // It is stack.lo+StackGuard normally, but can be StackPreempt to trigger a preemption.
   // stackguard1 is the stack pointer compared in the C stack growth prologue.
   // It is stack.lo+StackGuard on g0 and gsignal stacks.
   // It is ~0 on other goroutine stacks, to trigger a call to morestackc (and crash).
   stack       stack   // offset known to runtime/cgo
   stackguard0 uintptr // offset known to liblink
   stackguard1 uintptr // offset known to liblink
   ...
}

以上是和Go運(yùn)行時(shí)棧相關(guān)的字段，其中stack結(jié)構(gòu)體如下，只有棧頂和棧底的地址。stackguard0是運(yùn)行用戶協(xié)程g的執(zhí)行棧（go棧）擴(kuò)張或者收縮的檢查的搶占標(biāo)記。而stackguard1是用于g0和gsignal（這二者后面會(huì)介紹）的內(nèi)核棧（C棧）的擴(kuò)張或者收縮的檢查的搶占標(biāo)記。

// Stack describes a Go execution stack.
// The bounds of the stack are exactly [lo, hi),
// with no implicit data structures on either side.
type stack struct {
   lo uintptr
   hi uintptr
}

另外，還有以下三個(gè)字段和搶占息息相關(guān)。

type g struct {
   ...
   preempt       bool // preemption signal, duplicates stackguard0 = stackpreempt
   preemptStop   bool // transition to _Gpreempted on preemption; otherwise, just deschedule
   preemptShrink bool // shrink stack at synchronous safe point
   ...
}

此外，以下字段中，m表示當(dāng)前協(xié)程占用的線程，可能為空。

type g struct {
   ...
   m         *m      // current m; offset known to arm liblink
   sched     gobuf
   ...
}

而sched字段存儲(chǔ)了Goroutine調(diào)度相關(guān)的數(shù)據(jù)，如下。

type gobuf struct {
   // The offsets of sp, pc, and g are known to (hard-coded in) libmach.
   //
   // ctxt is unusual with respect to GC: it may be a
   // heap-allocated funcval, so GC needs to track it, but it
   // needs to be set and cleared from assembly, where it's
   // difficult to have write barriers. However, ctxt is really a
   // saved, live register, and we only ever exchange it between
   // the real register and the gobuf. Hence, we treat it as a
   // root during stack scanning, which means assembly that saves
   // and restores it doesn't need write barriers. It's still
   // typed as a pointer so that any other writes from Go get
   // write barriers.
   sp   uintptr
   pc   uintptr
   g    guintptr
   ctxt unsafe.Pointer
   ret  uintptr
   lr   uintptr
   bp   uintptr // for framepointer-enabled architectures
}

其中：

• sp：棧頂指針；
• pc：程序計(jì)數(shù)器；
• ctxt：函數(shù)閉包的上下文信息，即DX寄存器；
• bp：棧底指針；

可以看到，goroutine的上下文切換需要保留的寄存器很少，無需保留其他的通用寄存器，至于為啥無需保留，我們留待后續(xù)解釋。

2.2 M

M表示操作系統(tǒng)的線程，Go語言使用私有結(jié)構(gòu)體runtime.m表示操作系統(tǒng)線程，和runtime.g一樣，這個(gè)結(jié)構(gòu)體包含了幾十個(gè)字段，我們也只挑選一些和我們了解其運(yùn)行機(jī)制的介紹。

type m struct {
   g0      *g     // goroutine with scheduling stack
   ...
   curg          *g       // current running goroutine
   ...
}

其中，g0是持有調(diào)度棧的goroutine，curg是當(dāng)前線程上運(yùn)行的用戶goroutine。g0比較特殊，其會(huì)深度參與運(yùn)行時(shí)的調(diào)度過程，包括goroutine的創(chuàng)建、大內(nèi)存分配和CGO函數(shù)的執(zhí)行。

另外，在runtime.m中，還有三個(gè)與處理器P相關(guān)的字段：p、nextp和oldp。另外還是tls字段，通過tls實(shí)現(xiàn)m結(jié)構(gòu)體對(duì)象與工作線程之間的綁定。

type m struct {
   ...
   p             puintptr // attached p for executing go code (nil if not executing go code)
   nextp         puintptr
   oldp          puintptr // the p that was attached before executing a syscall
   ...
   tls           [tlsSlots]uintptr // thread-local storage (for x86 extern register)
   ...
}

2.3 P

處理器P是線程M和協(xié)程G之間的中間層，它能提供線程需要的上下文換環(huán)境，也負(fù)責(zé)調(diào)度線程上的等待隊(duì)列，通過處理器P的調(diào)度，每一個(gè)內(nèi)核線程都能執(zhí)行多個(gè)goroutine，且在goroutine陷入系統(tǒng)調(diào)用的時(shí)候及時(shí)讓出計(jì)算資源，提高線程的利用率。

因?yàn)檎{(diào)度器在啟動(dòng)時(shí)就會(huì)創(chuàng)建GOMAXPROCS個(gè)處理器，所以Go語言程序的處理器數(shù)量一定會(huì)等于GOMAXPROCS，這些處理器會(huì)綁定到不同的內(nèi)核線程上。

type p struct {
   ...
   m           muintptr   // back-link to associated m (nil if idle)
   ...
   // Queue of runnable goroutines. Accessed without lock.
   runqhead uint32
   runqtail uint32
   runq     [256]guintptr
   
   runnext guintptr
   ...
}

以上，runtime.p表示P的私有結(jié)構(gòu)，m表示其綁定的線程。runq表示其持有的運(yùn)行goroutine隊(duì)列，最大256，runnext表示下一個(gè)要執(zhí)行的goroutine。

以上是GMP中協(xié)程G、線程M和處理器P的私有結(jié)構(gòu)簡介，下面將介紹Go語言調(diào)度器的實(shí)現(xiàn)。

3. 基礎(chǔ)調(diào)度過程

上圖簡單描述了GMP模型的工作原理，在用戶態(tài)，處理器P將自身的運(yùn)行隊(duì)列中的G交付給線程M執(zhí)行，通過用戶態(tài)的調(diào)度，實(shí)現(xiàn)goroutine之間的調(diào)度，每次切換耗費(fèi)的時(shí)間約為~0.2us，低于線程上下文切換的~1us；且每次goroutine的創(chuàng)建，開辟的棧大小為2KB，而線程的創(chuàng)建，都會(huì)占用1M以上的內(nèi)存空間。所以說，無論是在時(shí)間上還是空間上，用戶態(tài)的goroutine的實(shí)現(xiàn)都比內(nèi)核線程的實(shí)現(xiàn)要輕量的多。

在圖中，深色G表示線程M正在執(zhí)行的goroutine，而隊(duì)列中的淺色G則表示等待執(zhí)行的goroutine隊(duì)列。而P的個(gè)數(shù)一般設(shè)置為CPU的核數(shù)，當(dāng)然用戶可以通過runtime.GOMAXPROCS函數(shù)進(jìn)行設(shè)置。而M的個(gè)數(shù)不一定，當(dāng)在M上執(zhí)行的G陷入內(nèi)核調(diào)用而阻塞時(shí)，調(diào)度器會(huì)解綁P和M，優(yōu)先在空閑M隊(duì)列中找到一個(gè)M進(jìn)行執(zhí)行，如果沒有空閑M，則創(chuàng)建一個(gè)新的M執(zhí)行剩余隊(duì)列中的G，充分利用CPU的資源，所以說M的個(gè)數(shù)不一定。

以上就是Golang并發(fā)編程之GMP模型詳解的詳細(xì)內(nèi)容，更多關(guān)于Golang GMP模型的資料請(qǐng)關(guān)注腳本之家其它相關(guān)文章！

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