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，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)編程的的第一個議題：goroutine的實現(xiàn)及其調(diào)度原理。

1. 進程、線程和協(xié)程

進程，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，進程是正在執(zhí)行的程序的實例。進程擁有自己的獨立空間。

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

• 在許多應(yīng)用中同時發(fā)生著多種活動，其中某些活動會被阻塞，比如I/O操作，而某些程序則需要響應(yīng)迅速，比如界面請求，因此多線程的程序設(shè)計模型會變得更簡單；
• 線程比進程更加輕量級，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，多線程可以實現(xiàn)真正的并行。

在操作系統(tǒng)中，進程是操作系統(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中的進程和線程

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

在Linux2.3.3開始，glibc的fork()函數(shù)創(chuàng)建進程時是調(diào)用系統(tǒng)調(diào)用clone(2)時指定flags為SIGCHLD（共享信號句柄表）。而pthread_create創(chuàng)建線程時，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Docker底層實現(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，實現(xiàn)調(diào)度，這樣就帶來了三種線程模型：多對一（M:1）、一對一（1:1）和多對多（M:N）（用戶線程對內(nèi)核線程）。一個用戶線程必須綁定一個內(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 多對一用戶級線程模型

這種模型是多個用戶線程對應(yīng)一個內(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現(xiàn)，內(nèi)核不感知這些線程的切換。優(yōu)點是線程的上下文切換之間不需要陷入內(nèi)核，速度快。缺點是一旦有一個用戶線程有阻塞性的系統(tǒng)調(diào)用，比如I/O操作時，系統(tǒng)內(nèi)核接管后，會阻塞所有的線程。另外，在多處理器的機器上，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 一對一內(nèi)核級線程模型

一對一模型中，每個用戶線程擁有一個對應(yīng)的內(nèi)核調(diào)度線程，也就是說，內(nèi)核會對每個線程進行調(diào)度。也因此，線程的創(chuàng)建、銷毀和上下文切換，都會陷入到內(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失敗！\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失敗！\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!

然后查看進程號和此進程下的線程數(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，是因為系統(tǒng)啟動進程的時候就自帶一個線程，再加上創(chuàng)建的兩個線程，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 多對多兩級線程模型

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

然后查看進程號和此進程下的線程數(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應(yīng)的，而是多對多的情形。

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版本中實現(xiàn)了基于信號的搶占式調(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在運行時的結(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運行時棧相關(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是運行用戶協(xié)程g的執(zhí)行棧（go棧）擴張或者收縮的檢查的搶占標(biāo)記。而stackguard1是用于g0和gsignal（這二者后面會介紹）的內(nèi)核棧（C棧）的擴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，這個結(jié)構(gòu)體包含了幾十個字段，我們也只挑選一些和我們了解其運行機制的介紹。

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)前線程上運行的用戶goroutine。g0比較特殊，其會深度參與運行時的調(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實現(xiàn)m結(jié)構(gòu)體對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)度線程上的等待隊列，通過處理器P的調(diào)度，每一個內(nèi)核線程都能執(zhí)行多個goroutine，且在goroutine陷入系統(tǒng)調(diào)用的時候及時讓出計算資源，提高線程的利用率。

因為調(diào)度器在啟動時就會創(chuàng)建GOMAXPROCS個處理器，所以Go語言程序的處理器數(shù)量一定會等于GOMAXPROCS，這些處理器會綁定到不同的內(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表示其持有的運行goroutine隊列，最大256，runnext表示下一個要執(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將自身的運行隊列中的G交付給線程M執(zhí)行，通過用戶態(tài)的調(diào)度，實現(xiàn)goroutine之間的調(diào)度，每次切換耗費的時間約為~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，都會占用1M以上的內(nèi)存空間。所以說，無論是在時間上還是空間上，用戶態(tài)的goroutine的實現(xiàn)都比內(nèi)核線程的實現(xiàn)要輕量的多。

在圖中，深色G表示線程M正在執(zhí)行的goroutine，而隊列中的淺色G則表示等待執(zhí)行的goroutine隊列。而P的個數(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)進行設(shè)置。而M的個數(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，調(diào)度器會解綁P和M，優(yōu)先在空閑M隊列中找到一個M進行執(zhí)行，如果沒有空閑M，則創(chuàng)建一個新的M執(zhí)行剩余隊列中的G，充分利用CPU的資源，所以說M的個數(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模型的資料請關(guān)注腳本之家其它相關(guān)文章！

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