如何理解go并發(fā)機(jī)制及它所使用的CSP并發(fā)模型

本篇內(nèi)容主要講解“如何理解go并發(fā)機(jī)制及它所使用的CSP并發(fā)模型”，感興趣的朋友不妨來看看。本文介紹的方法操作簡(jiǎn)單快捷，實(shí)用性強(qiáng)。下面就讓小編來帶大家學(xué)習(xí)“如何理解go并發(fā)機(jī)制及它所使用的CSP并發(fā)模型”吧!

1.并發(fā)和并行

提到并發(fā)，就不得不提并行，這里我們先回顧下并發(fā)和并行的區(qū)別與聯(lián)系：

• 并發(fā)（concurrency）：兩個(gè)或兩個(gè)以上的任務(wù)在一段時(shí)間內(nèi)被執(zhí)行，我們不必關(guān)注這些任務(wù)在某一個(gè)時(shí)間點(diǎn)是否同時(shí)執(zhí)行，可能同時(shí)執(zhí)行，也可能不是，我們只關(guān)心在一段時(shí)間內(nèi)，哪怕是很短的時(shí)間（一秒或者兩秒）是否執(zhí)行解決了兩個(gè)或兩個(gè)以上的任務(wù)

• 并行（parallellism）：兩個(gè)或兩個(gè)以上的任務(wù)在同一時(shí)刻被同時(shí)執(zhí)行

簡(jiǎn)而言之，并發(fā)說的是邏輯上的概念，而并行，強(qiáng)調(diào)的是物理運(yùn)行狀態(tài)。并發(fā)“包含”并行。

2.Go的CSP并發(fā)模型

2.1.CSP簡(jiǎn)介

在計(jì)算機(jī)科學(xué)中，通信順序過程（communicating sequential processes，CSP）是一種描述并發(fā)系統(tǒng)中交互模式的正式語(yǔ)言，它是并發(fā)數(shù)學(xué)理論家族中的一個(gè)成員，被稱為過程算法（process algebras），或者說過程計(jì)算（process calculate），是基于消息的通道傳遞的數(shù)學(xué)理論。

CSP模型是上個(gè)世紀(jì)70年代提出的，不同于傳統(tǒng)的多線程通過共享內(nèi)存來通信，CSP講究的是“以通信的方式來共享內(nèi)存”。CSP是用于描述兩個(gè)獨(dú)立的并發(fā)實(shí)體通過共享的通訊即channel（管道）進(jìn)行通信的并發(fā)模型。在CSP中channel是第一類對(duì)象，CSP并不關(guān)注發(fā)送消息的實(shí)體，它只關(guān)注實(shí)體之間發(fā)送消息時(shí)使用的channel。

Go中的channel是被單獨(dú)創(chuàng)建并且可以在進(jìn)程之間進(jìn)行消息傳遞的結(jié)構(gòu)體，它的通信模式類似于boss-worker模式，一個(gè)實(shí)體將消息發(fā)送到channel中，然后由另一個(gè)實(shí)體監(jiān)聽并接收channel的消息，在這一過程中，兩個(gè)實(shí)體之間是匿名的，這個(gè)就實(shí)現(xiàn)了實(shí)體之間的解耦。

2.2.Go的CSP并發(fā)模型

Go實(shí)現(xiàn)了兩種并發(fā)方式。第一種是大家大家普遍認(rèn)知的：多線程共享內(nèi)存。其實(shí)就是Java或者C++等語(yǔ)言中的多線程開發(fā)。另外一種是Go語(yǔ)言特有的，也是Go語(yǔ)言推薦的：CSP并發(fā)模型。

普通的線程并發(fā)模型，就是像Java、C++、或者Python，他們線程間通信都是通過共享內(nèi)存的方式來進(jìn)行的。

非常典型的方式就是，在訪問共享數(shù)據(jù)（例如數(shù)組、Map、或者某個(gè)結(jié)構(gòu)體或?qū)ο螅┑臅r(shí)候，通過鎖來訪問。

因此，在很多時(shí)候，衍生出一種方便操作的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，叫做“線程安全的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”。例如Java提供的包”java.util.concurrent”中的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

Go中也實(shí)現(xiàn)了傳統(tǒng)的線程并發(fā)模型，如為了在并發(fā)場(chǎng)景中安全使用map，Go提供了sync.Map。

Go的CSP并發(fā)模型，是通過goroutine和channel來實(shí)現(xiàn)的。

• goroutine 是Go語(yǔ)言中并發(fā)的執(zhí)行單位。有點(diǎn)抽象，其實(shí)就是和傳統(tǒng)概念上的”線程“類似，可以理解為”線程“

• channel是Go語(yǔ)言中各個(gè)并發(fā)結(jié)構(gòu)體(goroutine)之前的通信機(jī)制。 通俗的講，就是各個(gè)goroutine之間通信的”管道“，有點(diǎn)類似于Linux中的管道

goroutine底層使用協(xié)程（coroutine）實(shí)現(xiàn)并發(fā)，coroutine是一種運(yùn)行在用戶態(tài)的用戶線程，類似于greenthread。

go選擇使用coroutine的出發(fā)點(diǎn)是因?yàn)椋?/p>

1. 用戶空間，避免了內(nèi)核態(tài)和用戶態(tài)的切換導(dǎo)致的成本

2. 可以由語(yǔ)言和框架層進(jìn)行調(diào)度

3. 更小的棧空間允許創(chuàng)建大量實(shí)例

生成一個(gè)goroutine的方式非常的簡(jiǎn)單：

go f()

通信機(jī)制channel也很方便，傳數(shù)據(jù)用channel <- data，取數(shù)據(jù)用<-channel。

在通信過程中，傳數(shù)據(jù)channel <- data和取數(shù)據(jù)<-channel必然會(huì)成對(duì)出現(xiàn)，因?yàn)檫@邊傳，那邊取，兩個(gè)goroutine之間才會(huì)實(shí)現(xiàn)通信。

而且不管傳還是取，必阻塞，直到另外的goroutine傳或者取為止。

以流程圖形式展示這一過程如下：

假設(shè)有兩個(gè)goroutine，其中一個(gè)首先向channel發(fā)送了數(shù)據(jù)：（goroutine為矩形，channel為箭頭）

左邊的goroutine開始阻塞，等待有人從channel接收數(shù)據(jù)。

然后右邊的goroutine發(fā)起了接收操作。

右邊的goroutine也開始阻塞，等待有人向cahnnel發(fā)送數(shù)據(jù)。

這時(shí)候，兩邊goroutine都發(fā)現(xiàn)了對(duì)方，于是兩個(gè)goroutine就通過channel實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的傳輸。

3.Go并發(fā)模型的實(shí)現(xiàn)原理

我們先從線程講起，無論語(yǔ)言層面是何種并發(fā)模型，到了操作系統(tǒng)層面，一定是以線程的形態(tài)存在的。而操作系統(tǒng)根據(jù)資源訪問權(quán)限的不同，體系架構(gòu)可分為用戶空間和內(nèi)核空間；內(nèi)核空間主要操作訪問CPU資源、I/O資源、內(nèi)存資源等硬件資源，為上層應(yīng)用程序提供最基本的基礎(chǔ)資源，用戶空間則就是上層應(yīng)用程序的固定活動(dòng)空間，用戶空間不可以直接訪問資源，必須通過“系統(tǒng)調(diào)用”、“庫(kù)函數(shù)”或“Shell腳本”來調(diào)用內(nèi)核空間提供的資源。

我們現(xiàn)在的計(jì)算機(jī)語(yǔ)言，可以狹義的認(rèn)為是一種“軟件”，它們中所謂的“線程”，往往是用戶態(tài)的線程，和操作系統(tǒng)本身內(nèi)核態(tài)的線程（簡(jiǎn)稱KSE），還是有區(qū)別的。

3.1.線程模型

線程模型的實(shí)現(xiàn)，可以分為以下幾種方式：

1. 用戶級(jí)線程模型

如圖所示，多個(gè)用戶態(tài)的線程對(duì)應(yīng)著一個(gè)內(nèi)核線程，程序線程的創(chuàng)建、終止、切換或者同步等線程工作必須自身來完成。

2. 內(nèi)核級(jí)線程模型

這種模型直接調(diào)用操作系統(tǒng)的內(nèi)核線程，所有線程的創(chuàng)建、終止、切換、同步等操作，都由內(nèi)核來完成。C++就是這種。

3. 兩級(jí)線程模型

這種模型是介于用戶級(jí)線程模型和內(nèi)核級(jí)線程模型之間的一種線程模型。

這種模型的實(shí)現(xiàn)非常復(fù)雜：

1. 和內(nèi)核級(jí)線程模型類似，一個(gè)進(jìn)程中可以對(duì)應(yīng)多個(gè)內(nèi)核級(jí)線程，但是進(jìn)程中的線程不和內(nèi)核線程一一對(duì)應(yīng)；

2. 這種線程模型會(huì)先創(chuàng)建多個(gè)內(nèi)核級(jí)線程，然后用自身的用戶級(jí)線程去對(duì)應(yīng)創(chuàng)建的多個(gè)內(nèi)核級(jí)線程；

3. 自身的用戶級(jí)線程需要本身程序去調(diào)度，內(nèi)核級(jí)的線程交給操作系統(tǒng)內(nèi)核去調(diào)度。

Go語(yǔ)言的線程模型就是一種特殊的兩級(jí)線程模型。暫且叫它“GPM”模型吧。

3.2.GPM模型

1. GPM簡(jiǎn)介

• G指的是Goroutine，其實(shí)本質(zhì)上也是一種輕量級(jí)的線程。

• P指的是”processor”，代表了M所需的上下文環(huán)境，也是處理用戶級(jí)代碼邏輯的處理器。

• M指的是Machine，一個(gè)M直接關(guān)聯(lián)了一個(gè)內(nèi)核線程。

三者關(guān)系如下圖所示：

上圖講的是兩個(gè)線程(內(nèi)核線程)的情況。一個(gè)M會(huì)對(duì)應(yīng)一個(gè)內(nèi)核線程，一個(gè)M也會(huì)連接一個(gè)上下文P，一個(gè)上下文P相當(dāng)于一個(gè)“處理器”，一個(gè)上下文連接一個(gè)或者多個(gè)Goroutine。

P(Processor)的數(shù)量是在啟動(dòng)時(shí)被設(shè)置為環(huán)境變量GOMAXPROCS的值，或者通過運(yùn)行時(shí)調(diào)用函數(shù)runtime.GOMAXPROCS()進(jìn)行設(shè)置。

Processor數(shù)量固定意味著任意時(shí)刻只有固定數(shù)量的線程在運(yùn)行g(shù)o代碼。Goroutine中就是我們要執(zhí)行并發(fā)的代碼。

圖中P正在執(zhí)行的Goroutine為藍(lán)色；處于待執(zhí)行狀態(tài)的Goroutine為灰色，灰色的Goroutine形成了一個(gè)隊(duì)列runqueues。

2. 拋棄P(Processor)

你可能會(huì)想，為什么一定需要一個(gè)上下文，我們能不能直接除去上下文，讓Goroutine的runqueues掛到M上呢？答案是不行，需要上下文的目的，是讓我們?cè)谟龅絻?nèi)核線程阻塞的時(shí)候,可以直接放開上下文令其繼續(xù)執(zhí)行其他線程，而不會(huì)阻塞在當(dāng)前線程。

一個(gè)很簡(jiǎn)單的例子就是系統(tǒng)調(diào)用sysall，一個(gè)線程肯定不能同時(shí)執(zhí)行代碼和系統(tǒng)調(diào)用，因此它將被阻塞，這個(gè)時(shí)候，此線程M需要放棄當(dāng)前的上下文環(huán)境P，以便可以讓其他的Goroutine被調(diào)度執(zhí)行。

如上圖左圖所示，M0中的G0執(zhí)行了syscall，然后就創(chuàng)建了一個(gè)M1(也有可能本身就存在，沒創(chuàng)建)，（轉(zhuǎn)向右圖）然后M0丟棄了P，等待syscall的返回值，M1接受了P，將·繼續(xù)執(zhí)行Goroutine隊(duì)列中的其他Goroutine。

當(dāng)系統(tǒng)調(diào)用syscall結(jié)束后，M0會(huì)“偷”一個(gè)上下文，如果不成功，M0就把它的Gouroutine G0放到一個(gè)全局的runqueue中，然后自己放到線程池或者轉(zhuǎn)入休眠狀態(tài)。

全局runqueue是各個(gè)P在運(yùn)行完自己的本地的Goroutine runqueue后用來拉取新goroutine的地方。P也會(huì)周期性的檢查這個(gè)全局runqueue上的goroutine，否則，全局runqueue上的goroutines可能得不到執(zhí)行而餓死。

3. 均衡的分配工作

按照以上的說法，上下文P會(huì)定期的檢查全局的goroutine 隊(duì)列中的goroutine，以便自己在消費(fèi)掉自身Goroutine隊(duì)列的時(shí)候有事可做。假如全局goroutine隊(duì)列中的goroutine也沒了呢？就從其他運(yùn)行的中的P的runqueue里偷。

每個(gè)P中的Goroutine不同導(dǎo)致他們運(yùn)行的效率和時(shí)間也不同，在一個(gè)有很多P和M的環(huán)境中，不能讓一個(gè)P跑完自身的Goroutine就沒事可做了，因?yàn)榛蛟S其他的P有很長(zhǎng)的goroutine隊(duì)列要跑，得需要均衡。

該如何解決呢？

Go的做法倒也直接，從其他P中偷一半。

到此，相信大家對(duì)“如何理解go并發(fā)機(jī)制及它所使用的CSP并發(fā)模型”有了更深的了解，不妨來實(shí)際操作一番吧！這里是億速云網(wǎng)站，更多相關(guān)內(nèi)容可以進(jìn)入相關(guān)頻道進(jìn)行查詢，關(guān)注我們，繼續(xù)學(xué)習(xí)！