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，對大家的學習或者工作具有一定的參考學習價值，需要的朋友們下面隨著小編來一起學習學習吧

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用程序的本身的空間，所以當主線程終止時，應用程序也會終止。

下圖就是進程和線程的簡要關系。

補充：句柄是什么？

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

操作系統(tǒng)會在物理處理器上調度線程來運行，而Go 語言的運行時會在邏輯處理器上調度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的調度

本地運行隊列：裝載著待執(zhí)行的goruntine

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

Sched結構就是調度器，它維護有存儲M和G的隊列以及調度器的一些狀態(tài)信息等。
M代表內核級線程，一個M就是一個線程，goroutine就是跑在M之上的；M是一個很大的結構，里面維護小對象內存cache（mcache）、當前執(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goroutine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系。
G就是goroutine實現(xiàn)的核心結構了，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：

當創(chuàng)建一個Goroutine的時候，先放到全局隊列當中，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，弄清楚了它們三者的關系，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)，當然結果可能失敗，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，一種調度算法。

到這里，貌似整個工場都正常的運轉起來了，無懈可擊的樣子。不對，還有一個疑點沒解決啊，假設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的調度，上下文切換問題。

goroutine的阻塞

當一個OS線程M0陷入阻塞時（如下圖)，P轉而在運行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，當當前的Goroutine在阻塞，就把他和當前線程綁定，讓當前的線程繼續(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goroutine，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goroutine，此時的做法就是會進行重新分配，就想右側圖展示