Go語言中Goroutine和協(xié)程的作用是什么

Go語言中Goroutine和協(xié)程的作用是什么，很多新手對此不是很清楚，為了幫助大家解決這個難題，下面小編將為大家詳細講解，有這方面需求的人可以來學習下，希望你能有所收獲。

　　1.協(xié)程簡介

　　大家對于進程、線程都很熟悉，但協(xié)程就沒有火了，協(xié)程并不是Go語言特有的機制，相反像Lua、Ruby、Python、Kotlin、C/C++等也都有協(xié)程的支持，區(qū)別在于有的是從語言層面支持、有的通過插件類庫支持。Go語言是原生語言層面支持，本文也是從Go角度去理解協(xié)程。

　　1.1 協(xié)程基本概念和提出者

　　協(xié)程英文是Coroutine譯為協(xié)同程序“

　　協(xié)同程序是一種計算機程序組件，它允許暫停和恢復執(zhí)行，從而可以作為通用化的非搶占式多任務處理子程序。

　　協(xié)同程序非常適合實現(xiàn)例如協(xié)作任務、異常、事件循環(huán)、迭代器、管道等熟悉的程序組件。

　　根據唐納德·克努特的說法，梅爾文·康威在1958年將Coroutine這個術語應用于裝配程序的構建，直到在1963年才首次發(fā)表了闡述Coroutine的論文。

　　1.2 協(xié)程和進線程的對比

　　我們來復習一下進線程和協(xié)程的一些基本特點吧:

　　進程是系統(tǒng)資源分配的最小單位, 進程包括文本段text region、數(shù)據段data region和堆棧段stack region等。進程的創(chuàng)建和銷毀都是系統(tǒng)資源級別的，因此是一種比較昂貴的操作，進程是搶占式調度其有三個狀態(tài):等待態(tài)、就緒態(tài)、運行態(tài)。進程之間是相互隔離的，它們各自擁有自己的系統(tǒng)資源, 更加安全但是也存在進程間通信不便的問題。

　　進程是線程的載體容器，多個線程除了共享進程的資源還擁有自己的一少部分獨立的資源，因此相比進程而言更加輕量，進程內的多個線程間的通信比進程容易，但是也同樣帶來了同步和互斥的問題和線程安全問題，盡管如此多線程編程仍然是當前服務端編程的主流，線程也是CPU調度的最小單位，多線程運行時就存在線程切換問題，其狀態(tài)轉移如圖：

　　協(xié)程在有的資料中稱為微線程或者用戶態(tài)輕量級線程，協(xié)程調度不需要內核參與而是完全由用戶態(tài)程序來決定，因此協(xié)程對于系統(tǒng)而言是無感知的。協(xié)程由用戶態(tài)控制就不存在搶占式調度那樣強制的CPU控制權切換到其他進線程，多個協(xié)程進行協(xié)作式調度，協(xié)程自己主動把控制權轉讓出去之后，其他協(xié)程才能被執(zhí)行到，這樣就避免了系統(tǒng)切換開銷提高了CPU的使用效率。

　　搶占式調度和協(xié)作式調度的簡單對比：

　　看到這里我們不免去想：看著協(xié)作式調度優(yōu)點更多，那么為什么一直是搶占式調度占上風呢?讓我們繼續(xù)一起學習，可能就能解答這個問題了。

　　1.3 實際工作中的我們

　　我們寫程序的時經常需要考慮的因素就是提高機器使用率，這個非常好理解。當然機器使用率和開發(fā)效率維護成本往往存在權衡，說句大白話就是：要么費人力要么費機器，選一個吧!

　　機器成本里面最貴的就是CPU了，程序一般分為CPU密集型和IO密集型，對于CPU密集型我們的優(yōu)化空間可能沒那么多，但對于IO密集型卻有非常大的優(yōu)化空間，試想我們的程序總是處于IO等待中讓CPU呼呼睡大覺，那該多糟糕。

　　為了提高IO密集型程序的CPU使用率，我們嘗試多進程/多線程編程等讓多個任務一起跑分時復用搶占式調度，這樣提高了CPU的利用率，但由于多個進線程存在調度切換，這也有一定的資源消耗，因此進線程數(shù)量不可能無限增大。

　　我們現(xiàn)在寫的程序大部分都是同步IO的，效率還不夠高，因此出現(xiàn)了一些異步IO框架，但是異步框架的編程難度比同步框架要大，但不可否認異步是一個很好的優(yōu)化方向，先不要暈，來看下同步IO和異步IO就知道了：

　　同步是指應用程序發(fā)起I/O請求后需要等待或者輪詢內核I/O操作完成后才能繼續(xù)執(zhí)行，異步是指應用程序發(fā)起I/O請求后仍繼續(xù)執(zhí)行，當內核I/O操作完成后會通知應用程序或者調用應用程序注冊的回調函數(shù)。

　　我們以C/C++開發(fā)的服務端程序為例，Linux的異步IO出現(xiàn)的比較晚，因此像epoll之類的IO復用技術仍然有相當大的地盤，但是同步IO的效率畢竟不如異步IO，因此當前的優(yōu)化方向包括：異步IO框架(像boost.asio框架)和協(xié)程方案(騰訊libco)。

　　2.Go和協(xié)程

　　我們知道協(xié)程是Coroutine，Go語言在語言層面對協(xié)程進行了原生支持并且稱之為Goroutine，這也是Go語言強大并發(fā)能力的重要支撐，Go的CSP并發(fā)模型是通過Goroutine和channel來實現(xiàn)的，后續(xù)會專門寫一下CSP并發(fā)模型。

　　2.1 協(xié)作式調度和調度器

　　協(xié)作式調度中用戶態(tài)協(xié)程會主動讓出CPU控制權來讓其他協(xié)程使用，確實提高了CPU的使用率，但是不由得去思考用戶態(tài)協(xié)程不夠智能怎么辦?不知道何時讓出控制權也不知道何時恢復執(zhí)行。

　　讀到這里忽然明白了搶占式調度的優(yōu)勢了，在搶占式調度中都是由系統(tǒng)內核來完成的，用戶態(tài)不需要參與，并且內核參與使得平臺移植好，說到底還是各有千秋啊!

　　為了解決這個問題我們需要一個中間層來調度這些協(xié)程，這樣才能讓用戶態(tài)的成千上萬個協(xié)程穩(wěn)定有序地跑起來，我們姑且把這個中間層稱為用戶態(tài)協(xié)程調度器吧!

　　2.2 Goroutine和Go的調度器模型

　　Go語言從2007年底開發(fā)直到今天已經發(fā)展了12年，Go的調度器也不是一蹴而就的，在最初的幾個版本中Go的調度器也非常簡陋，無法支撐大并發(fā)。

　　經過多個版本的迭代和優(yōu)化，目前已經有很優(yōu)異的性能了，不過我們還是來回顧一下Go調度器的發(fā)展歷程。

　　Go的調度器非常復雜，篇幅所限本文只提一些基本的概念和原理，后續(xù)會深入去展開Go的調度器。

　　最近幾個版本的Go調度器采用GPM模型，其中有幾個概念先看下：

　　GPM模型使用一種M:N的調度器來調度任意數(shù)量的協(xié)程運行于任意數(shù)量的系統(tǒng)線程中，從而保證了上下文切換的速度并且利用多核，但是增加了調度器的復雜度。

　　整個GPM調度的簡單過程如下：

　　新創(chuàng)建的Goroutine會先存放在Global全局隊列中，等待Go調度器進行調度，隨后Goroutine被分配給其中的一個邏輯處理器P，并放到這個邏輯處理器對應的Local本地運行隊列中，最終等待被邏輯處理器P執(zhí)行即可。

　　在M與P綁定后，M會不斷從P的Local隊列中無鎖地取出G，并切換到G的堆棧執(zhí)行，當P的Local隊列中沒有G時，再從Global隊列中獲取一個G，當Global隊列中也沒有待運行的G時，則嘗試從其它的P竊取部分G來執(zhí)行相當于P之間的負載均衡。

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