Go語言中Goroutine和協(xié)程有什么用

本篇內(nèi)容介紹了“Go語言中Goroutine和協(xié)程有什么用”的有關(guān)知識(shí)，在實(shí)際案例的操作過程中，不少人都會(huì)遇到這樣的困境，接下來就讓小編帶領(lǐng)大家學(xué)習(xí)一下如何處理這些情況吧！希望大家仔細(xì)閱讀，能夠?qū)W有所成！

　　1.協(xié)程簡(jiǎn)介

　　大家對(duì)于進(jìn)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(jī)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(jì)算機(jī)程序組件，它允許暫停和恢復(fù)執(zhí)行，從而可以作為通用化的非搶占式多任務(wù)處理子程序。

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

　　根據(jù)唐納德·克努特的說法，梅爾文·康威在1958年將Coroutine這個(gè)術(shù)語應(yīng)用于裝配程序的構(gòu)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(jìn)線程的對(duì)比

　　我們來復(fù)習(xí)一下進(jìn)線程和協(xié)程的一些基本特點(diǎn)吧:

　　進(jìn)程是系統(tǒng)資源分配的最小單位, 進(jìn)程包括文本段text region、數(shù)據(jù)段data region和堆棧段stack region等。進(jìn)程的創(chuàng)建和銷毀都是系統(tǒng)資源級(jí)別的，因此是一種比較昂貴的操作，進(jìn)程是搶占式調(diào)度其有三個(gè)狀態(tài):等待態(tài)、就緒態(tài)、運(yùn)行態(tài)。進(jìn)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(jìn)程間通信不便的問題。

　　進(jìn)程是線程的載體容器，多個(gè)線程除了共享進(jìn)程的資源還擁有自己的一少部分獨(dú)立的資源，因此相比進(jìn)程而言更加輕量，進(jìn)程內(nèi)的多個(gè)線程間的通信比進(jìn)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(dāng)前服務(wù)端編程的主流，線程也是CPU調(diào)度的最小單位，多線程運(yùn)行時(shí)就存在線程切換問題，其狀態(tài)轉(zhuǎn)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(jí)線程，協(xié)程調(diào)度不需要內(nèi)核參與而是完全由用戶態(tài)程序來決定，因此協(xié)程對(duì)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(diào)度那樣強(qiáng)制的CPU控制權(quán)切換到其他進(jìn)線程，多個(gè)協(xié)程進(jìn)行協(xié)作式調(diào)度，協(xié)程自己主動(dòng)把控制權(quán)轉(zhuǎn)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(diào)度和協(xié)作式調(diào)度的簡(jiǎn)單對(duì)比：

　　看到這里我們不免去想：看著協(xié)作式調(diào)度優(yōu)點(diǎn)更多，那么為什么一直是搶占式調(diào)度占上風(fēng)呢?讓我們繼續(xù)一起學(xué)習(xí)，可能就能解答這個(gè)問題了。

　　1.3 實(shí)際工作中的我們

　　我們寫程序的時(shí)經(jīng)常需要考慮的因素就是提高機(jī)器使用率，這個(gè)非常好理解。當(dāng)然機(jī)器使用率和開發(fā)效率維護(hù)成本往往存在權(quán)衡，說句大白話就是：要么費(fèi)人力要么費(fèi)機(jī)器，選一個(gè)吧!

　　機(jī)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(duì)于CPU密集型我們的優(yōu)化空間可能沒那么多，但對(duì)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(jìn)程/多線程編程等讓多個(gè)任務(wù)一起跑分時(shí)復(fù)用搶占式調(diào)度，這樣提高了CPU的利用率，但由于多個(gè)進(jìn)線程存在調(diào)度切換，這也有一定的資源消耗，因此進(jìn)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(rèn)異步是一個(gè)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(yīng)用程序發(fā)起I/O請(qǐng)求后需要等待或者輪詢內(nèi)核I/O操作完成后才能繼續(xù)執(zhí)行，異步是指應(yīng)用程序發(fā)起I/O請(qǐng)求后仍繼續(xù)執(zhí)行，當(dāng)內(nèi)核I/O操作完成后會(huì)通知應(yīng)用程序或者調(diào)用應(yīng)用程序注冊(cè)的回調(diào)函數(shù)。

　　我們以C/C++開發(fā)的服務(wù)端程序?yàn)槔琇inux的異步IO出現(xiàn)的比較晚，因此像epoll之類的IO復(fù)用技術(shù)仍然有相當(dāng)大的地盤，但是同步IO的效率畢竟不如異步IO，因此當(dāng)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(duì)協(xié)程進(jìn)行了原生支持并且稱之為Goroutine，這也是Go語言強(qiáng)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(shí)現(xiàn)的，后續(xù)會(huì)專門寫一下CSP并發(fā)模型。

　　2.1 協(xié)作式調(diào)度和調(diào)度器

　　協(xié)作式調(diào)度中用戶態(tài)協(xié)程會(huì)主動(dòng)讓出CPU控制權(quán)來讓其他協(xié)程使用，確實(shí)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(shí)讓出控制權(quán)也不知道何時(shí)恢復(fù)執(zhí)行。

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

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

　　2.2 Goroutine和Go的調(diào)度器模型

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

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

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

　　最近幾個(gè)版本的Go調(diào)度器采用GPM模型，其中有幾個(gè)概念先看下：

　　GPM模型使用一種M:N的調(diào)度器來調(diào)度任意數(shù)量的協(xié)程運(yùn)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(diào)度器的復(fù)雜度。

　　整個(gè)GPM調(diào)度的簡(jiǎn)單過程如下：

　　新創(chuàng)建的Goroutine會(huì)先存放在Global全局隊(duì)列中，等待Go調(diào)度器進(jìn)行調(diào)度，隨后Goroutine被分配給其中的一個(gè)邏輯處理器P，并放到這個(gè)邏輯處理器對(duì)應(yīng)的Local本地運(yùn)行隊(duì)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(huì)不斷從P的Local隊(duì)列中無鎖地取出G，并切換到G的堆棧執(zhí)行，當(dāng)P的Local隊(duì)列中沒有G時(shí)，再從Global隊(duì)列中獲取一個(gè)G，當(dāng)Global隊(duì)列中也沒有待運(yùn)行的G時(shí)，則嘗試從其它的P竊取部分G來執(zhí)行相當(dāng)于P之間的負(fù)載均衡。

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