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詳解go語言是如何實(shí)現(xiàn)協(xié)程的

更新時(shí)間：2024年04月19日 09:36:13 作者：shark_chili

go語言的精華就在于協(xié)程的設(shè)計(jì),只有理解協(xié)程的設(shè)計(jì)思想和工作機(jī)制,才能確保我們能夠完全的利用協(xié)程編寫強(qiáng)大的并發(fā)程序,所以本文將給大家介紹了go語言是如何實(shí)現(xiàn)協(xié)程的,文中有詳細(xì)的代碼講解,需要的朋友可以參考下

寫在文章開頭

go語言的精華就在于協(xié)程的設(shè)計(jì)，只有理解協(xié)程的設(shè)計(jì)思想和工作機(jī)制，才能確保我們能夠完全的利用協(xié)程編寫強(qiáng)大的并發(fā)程序。

詳解協(xié)程工作機(jī)制和實(shí)現(xiàn)

協(xié)程示例

正式介紹底層之前，我們給出一段協(xié)程的代碼示例，可以看到筆者開啟一個(gè)協(xié)程進(jìn)行函數(shù)內(nèi)部調(diào)用：

func foo1() {
 fmt.Println("foo1 調(diào)用 foo2")
 foo2()
}

func foo2() {
 fmt.Println("foo2調(diào)用foo3")
 foo3()
}

func foo3() {
 fmt.Println("foo3 執(zhí)行了")
}

func main() {
 //設(shè)置WaitGroup等待協(xié)程結(jié)束
 var wg sync.WaitGroup
 wg.Add(1)

 go func() {
  foo1()
  defer wg.Done()
 }()

 //等待上述協(xié)程運(yùn)行結(jié)束
 wg.Wait()
}

運(yùn)行結(jié)果如下:

foo1 調(diào)用 foo2
foo2調(diào)用foo3
foo3 執(zhí)行了

結(jié)合debug我們可以看到當(dāng)前協(xié)程的調(diào)用棧幀，在函數(shù)調(diào)用前插入一個(gè)goexit的東西，結(jié)合這一點(diǎn)我們開始對(duì)協(xié)程的深入剖析：

在這里插入圖片描述

協(xié)程實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)

在go語言的協(xié)程結(jié)構(gòu)為:

通過一個(gè)stack記錄其高地址和低地址。
通過sched的sp(即stackpointer)棧幀的指針和程序計(jì)數(shù)器pc(指向下一條運(yùn)行的指令).
采用goid生成唯一標(biāo)識(shí)。
然后再用atomicstatus記錄其執(zhí)行狀態(tài)。

基于這幾點(diǎn)我們結(jié)合上述的代碼給出協(xié)程的底層結(jié)構(gòu)，如下圖所示，當(dāng)前協(xié)程的stack記錄整個(gè)foo1函數(shù)的高低地址，假設(shè)我們當(dāng)前的協(xié)程go來到foo2函數(shù)準(zhǔn)備調(diào)用foo3函數(shù)，我們的sched中的sp即stackpointer記錄foo2的指針，同時(shí)因?yàn)?code>foo2內(nèi)部會(huì)調(diào)用foo3所以程序計(jì)數(shù)器pc記錄著調(diào)用foo3的指令。

最后因?yàn)閰f(xié)程都是由線程調(diào)度的，所以協(xié)程的內(nèi)部也有一個(gè)變量記錄著當(dāng)前線程的指針m：

到此我們了解了協(xié)程核心結(jié)構(gòu)，同時(shí)我們也在runtime2.go這一文件中即給出上述所說的核心變量：

type g struct {
 //記錄棧幀的高地址和低地址
 stack       stack   // offset known to runtime/cgo
 //......
 m         *m //執(zhí)行當(dāng)前協(xié)程的線程指針
 //記錄當(dāng)前堆棧的指針以及下一條指令的運(yùn)行地址
 sched     gobuf
 atomicstatus atomic.Uint32
 goid         uint64
 
 //......
}

步入stack可以看到lo和hi兩個(gè)專門記錄棧幀高低地址的指針：

type stack struct {
 lo uintptr
 hi uintptr
}

對(duì)應(yīng)的我們也給出sched 的類型gobuf，可以看到sp和pc兩個(gè)核心指針變量:

type gobuf struct {
 
 sp   uintptr
 pc   uintptr
 //......
}

談?wù)刧o語言對(duì)于線程的抽象

上文我們提出線程的用m指針記錄，如下源碼所示，我們都知道在go語言中每個(gè)線程都會(huì)從一個(gè)協(xié)程隊(duì)列中獲取協(xié)程執(zhí)行，所以執(zhí)行時(shí)它會(huì)用curg記錄當(dāng)前運(yùn)行的協(xié)程，然后通過id對(duì)自己進(jìn)行唯一標(biāo)識(shí)，而mOS則是及記錄當(dāng)前操作系統(tǒng)信息，這其中最核心的就是g0它就是每一個(gè)線程的操作調(diào)度器：

type m struct {
 g0      *g     // goroutine with scheduling stack
 id            int64 
 
 curg          *g       // current running goroutine
 
 mOS

}

了解整體結(jié)構(gòu)之后我們?cè)賮砹牧膅o語言線程的g0棧是如何工作的，如下圖所示，每一個(gè)g0棧都會(huì)通過schedule開始工作：

通過execute從協(xié)程隊(duì)列中獲取任務(wù)。
調(diào)用gogo方法在協(xié)程調(diào)用前插入go exit指針?biāo)涗沢0棧幀，這個(gè)指針就是用于協(xié)程執(zhí)行退出或者掛起是可以通過這個(gè)指針跳回g0棧。
然后就是執(zhí)行當(dāng)前協(xié)程。
協(xié)程執(zhí)行完成切換回g0棧，重新調(diào)用schedule方法再次從步驟1開始執(zhí)行，由此構(gòu)成一個(gè)循環(huán)。

這里我們也給出asm_amd64.s中關(guān)于gogo的匯編代碼，可以看到gobuf_sp方法它會(huì)記錄當(dāng)前stack pointer也就是我們上文針對(duì)g0所說的g0棧地址：

TEXT gogo<>(SB), NOSPLIT, $0
 get_tls(CX)
 MOVQ DX, g(CX)
 MOVQ DX, R14  // set the g register
 //記錄g0棧地址
 MOVQ gobuf_sp(BX), SP // restore SP
 MOVQ gobuf_ret(BX), AX
 MOVQ gobuf_ctxt(BX), DX
 MOVQ gobuf_bp(BX), BP
 MOVQ $0, gobuf_sp(BX) // clear to help garbage collector
 MOVQ $0, gobuf_ret(BX)
 MOVQ $0, gobuf_ctxt(BX)
 MOVQ $0, gobuf_bp(BX)
 MOVQ gobuf_pc(BX), BX
 JMP BX