Go语言协程 ｜ 青训营

Sherlocker
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Go语言中的协程（Goroutine）是一种轻量级的线程管理机制，用于实现并发和并行编程。

协程和传统的线程相比

与传统的线程（Thread）相比，协程具有以下特点：

  1. 轻量级：协程的创建和销毁成本很低，可以创建大量的协程而不会消耗过多的系统资源。相比之下，传统线程的创建和销毁开销较大。
  2. 原生支持：Go语言内置了对协程的支持，通过关键字go可以启动一个新的协程，无需使用额外的库或框架。
  3. 并发通信：协程之间可以通过通道（Channel）进行高效的通信和数据共享。通道是一种特殊的数据结构，用于在协程之间传递数据，实现数据同步和消息传递。
  4. 调度器管理：Go语言的运行时（Runtime）带有一个称为"调度器"的组件，它负责在多个协程之间进行调度和管理。调度器会自动将协程的执行时间划分为多个时间片（GOMAXPROCS），并在运行时动态调整协程的数量和调度策略，以充分利用系统资源。
  5. 高并发性能：由于协程的轻量级和调度器的优化，Go语言可以轻松创建大量的协程，并发执行它们，从而实现高并发的编程模型。这使得编写高性能的并发程序变得更加容易。

使用协程可以使程序的并发性更高，更容易编写和维护并发代码。通过利用多个协程并发执行任务，可以提高程序的性能和响应性，同时避免了传统线程所带来的复杂性和资源消耗。

GMP模型

GMP（Goroutine, M, P）模型是Go语言运行时（Runtime）中用于实现协程调度和并发执行的模型。它是Go语言并发编程的核心组成部分，负责管理和调度协程（Goroutine）的执行。

  1. 全局队列（Global Queue）：存放等待运行的G。
  2. P的本地队列：同全局队列类似，存放的也是等待运行的G，存的数量有限，不超过256个。新建G'时，G'优先加入到P的本地队列，如果队列满了，则会把本地队列中一半的G移动到全局队列。
  3. P列表：所有的P都在程序启动时创建，并保存在数组中，最多有GOMAXPROCS(可配置)个。
  4. M：线程想运行任务就得获取P，从P的本地队列获取G，P队列为空时，M也会尝试从全局队列拿一批G放到P的本地队列，或从其他P的本地队列偷一半放到自己P的本地队列。M运行G，G执行之后，M会从P获取下一个G，不断重复下去。

Goroutine调度器和OS调度器是通过M结合起来的，每个M都代表了1个内核线程，OS调度器负责把内核线程分配到CPU的核上执行。

调度器的设计策略

复用线程：避免频繁的创建、销毁线程，而是对线程的复用。

1）work stealing机制

当本线程无可运行的G时，尝试从其他线程绑定的P偷取G，而不是销毁线程。

2）hand off机制

当本线程因为G进行系统调用阻塞时，线程释放绑定的P，把P转移给其他空闲的线程执行。

利用并行：GOMAXPROCS设置P的数量，最多有GOMAXPROCS个线程分布在多个CPU上同时运行。GOMAXPROCS也限制了并发的程度，比如GOMAXPROCS = 核数/2，则最多利用了一半的CPU核进行并行。

抢占：在coroutine中要等待一个协程主动让出CPU才执行下一个协程，在Go中，一个goroutine最多占用CPU 10ms，防止其他goroutine被饿死，这就是goroutine不同于coroutine的一个地方。

全局G队列：在新的调度器中依然有全局G队列，当P的本地队列为空时，优先从全局队列获取，如果全局队列为空时则通过work stealing机制从其他P的本地队列偷取G。

GMP模型生命周期

GMP（Goroutine, M, P）模型在Go语言运行时中有一个生命周期，涵盖了协程的创建、调度和销毁等过程。下面是GMP模型的典型生命周期：

  1. 启动：
    • 当程序运行时，Go语言运行时（Runtime）会初始化一些全局状态，包括调度器（Scheduler）和全局队列等。
    • 运行时会创建一个主M（Main M），它与主线程关联，并负责执行程序的入口函数（例如main()函数）。
    • 主M会创建一个主P（Main P），它作为调度器的初始处理器。
  1. 协程创建：
    • 当使用关键字go创建一个新的协程（Goroutine）时，调度器会将该协程放入待执行的Goroutine队列中。
    • 如果存在空闲的P，调度器会将一个Goroutine分配给该P，并将其绑定到一个空闲的M上。
    • 如果没有空闲的P，则调度器会将Goroutine放入全局队列等待分配。
  1. 协程调度：
    • 空闲的M会从待执行的Goroutine队列中获取一个Goroutine，并开始执行它的代码。
    • 当Goroutine发生阻塞（如等待I/O操作、通道操作等）或时间片用完时，M会释放执行权，将Goroutine放回待执行的队列中。
    • 调度器会选择一个新的Goroutine分配给该M，或者将M设置为休眠状态。
  1. 协程销毁：
    • 当一个Goroutine执行完毕（到达代码结尾）或发生异常时，相应的M会退出。
    • 当M退出时，它会释放与之关联的资源，包括内存和堆栈等。
    • 如果某个M长时间没有执行Goroutine（空闲状态），调度器可能会将其停用或销毁，以节省资源。
  1. 关闭：
    • 当程序执行完毕或调用os.Exit()等终止程序的函数时，调度器会关闭，并清理所有相关的资源。
    • 所有剩余的未执行完的Goroutine会被丢弃，不再执行。

通过GMP模型，Go语言能够高效地管理协程的调度和执行，实现并发和并行编程。调度器动态地分配和回收M和Goroutine，使得Go程序能够充分利用多核处理器的性能，实现高效的并发操作。同时，GMP模型的设计使得编写并发代码变得更加简单和高效。

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