Go協(xié)程如何實現(xiàn)

本篇內(nèi)容主要講解“Go協(xié)程如何實現(xiàn)”，感興趣的朋友不妨來看看。本文介紹的方法操作簡單快捷，實用性強。下面就讓小編來帶大家學(xué)習(xí)“Go協(xié)程如何實現(xiàn)”吧!

為什么需要協(xié)程

協(xié)程的本質(zhì)是將一段數(shù)據(jù)的運行狀態(tài)進行打包，可以在線程之間調(diào)度，所以協(xié)程就是在單線程的環(huán)境下實現(xiàn)的應(yīng)用程序級別的并發(fā)，就是把本來由操作系統(tǒng)控制的切換+保存狀態(tài)在應(yīng)用程序里面實現(xiàn)了。

所以我們需要協(xié)程的目的其實就是它更加節(jié)省資源、可以在有限的資源內(nèi)支持更高的并發(fā)，體現(xiàn)在以下三個方面：

• 資源利用：程可以利用任何的線程去運行，不需要等待CPU的調(diào)度。

• 快速調(diào)度：協(xié)程可以快速地調(diào)度（避開了系統(tǒng)調(diào)用和切換），快速的切換。

• 超高并發(fā)：有限的線程就可以并發(fā)很多的協(xié)程。

協(xié)程的本質(zhì)

協(xié)程在go語言中使用runtime\runtime2.go下的g結(jié)構(gòu)體來表示，這個結(jié)構(gòu)體中包含了協(xié)程的很多信息，我們只挑選其中的重要字段來進行分析：

type g struct {
	// 協(xié)程的棧幀，里面包含了兩個字段：lo和hi，分別是協(xié)程棧的高位指針和低位指針
	stack       stack
	// gobuf結(jié)構(gòu)體中儲存了很多與協(xié)程棧相關(guān)的指針，比如pc、sp
	sched     gobuf
	// 用來標(biāo)記協(xié)程當(dāng)前的狀態(tài)
	atomicstatus uint32
	// 每個協(xié)程的唯一標(biāo)識，不向應(yīng)用層暴露。但是goid的地址會存在寄存器里面，可以通過ebpf工具無侵入地去獲取
	goid         int64
}

對線程的描述

我們知道，go語言中的協(xié)程是跑在線程上面的，那么go中肯定會有對線程的抽象描述，這個結(jié)構(gòu)體也在runtime\runtime2.go中，我們只展示重要的部分：

type m struct {
	// 每次啟動一個M都會第一個創(chuàng)建的gourtine，用于操作調(diào)度器，所以它不指向任何函數(shù)，只負(fù)責(zé)調(diào)度
	g0      *g     // goroutine with scheduling stack
	// 當(dāng)前正在線程上運行的協(xié)程
	curg          *g       // current running goroutine
	// 線程id
	id            int64
	// 記錄每種操作系統(tǒng)對于線程額外的描述信息
	mOS
}

協(xié)程如何在線程中執(zhí)行

我們從最簡單的單線程調(diào)度模型來看，協(xié)程在線程中的執(zhí)行流程可以參考下圖：

線程循環(huán)

在go中每個線程都是循環(huán)執(zhí)行一系列工作，又稱作單線程循環(huán)如下圖所示：左側(cè)為棧，右側(cè)為線程執(zhí)行的函數(shù)順序，其中的業(yè)務(wù)方法就是協(xié)程方法。

普通協(xié)程棧只能記錄業(yè)務(wù)方法的業(yè)務(wù)信息，且當(dāng)線程沒有獲得協(xié)程之前是沒有普通協(xié)程棧的。所以在內(nèi)存中開辟了一個g0棧，專門用于記錄函數(shù)調(diào)用跳轉(zhuǎn)的信息，因此g0棧其實就是調(diào)度中心的棧。

線程循環(huán)會按順序循環(huán)去執(zhí)行上圖右側(cè)的函數(shù)：schedule->execute->gogo->業(yè)務(wù)方法->goexit。

schedule

schedule函數(shù)的作用是為當(dāng)前的P獲取一個可以執(zhí)行的g，并執(zhí)行它。

• 首先會有1/61的概率檢查全局隊列，確保全局隊列中的G也會被調(diào)度。

• 然后有60/61的概率從本地隊列中獲取g。

• 如果從本地隊列中沒有獲取到可執(zhí)行的g，就會調(diào)用findrunnable函數(shù)去獲取。

findrunnable函數(shù)的流程：

• 調(diào)用runqget函數(shù)來從P自己的runnable G隊列中得到一個可以執(zhí)行的G；

• 如果1失敗，調(diào)用globrunqget函數(shù)從全局runnableG隊列中得到一個可以執(zhí)行的G；

• 如果2失敗，調(diào)用netpoll（非阻塞）函數(shù)取一個異步回調(diào)的G;

• 如果3失敗，嘗試從其他P那里偷取一半數(shù)量的G過來；

• 如果4失敗，再次調(diào)用globrunqget函數(shù)從全局runnableG隊列中得到一個可以執(zhí)行的G；

• 如果5失敗，調(diào)用netpoll（阻塞）函數(shù)取一個異步回調(diào)的G；

• 如果6仍然沒有取到G，那么調(diào)用stopm函數(shù)停止這個M。

如果獲取到了可執(zhí)行的g，就調(diào)用execute函數(shù)去執(zhí)行。

// One round of scheduler: find a runnable goroutine and execute it.
// Never returns.
func schedule() {
	......
	// 新建一個gp變量，gp就是即將要運行的協(xié)程指針
	var gp *g
	var inheritTime bool
	// 垃圾回收相關(guān)的工作
	......
	// 調(diào)度過程中有1/61的概率檢查全局隊列，確保全局隊列中的G也會被調(diào)度。
	// M綁定的P首先有1/61概率從全局隊列獲取G，60/61概率從本地隊列獲取G
	if gp == nil {
		// Check the global runnable queue once in a while to ensure fairness.
		// Otherwise two goroutines can completely occupy the local runqueue
		// by constantly respawning each other.
		if _g_.m.p.ptr().schedtick%61 == 0 && sched.runqsize > 0 {
			lock(&sched.lock)
			gp = globrunqget(_g_.m.p.ptr(), 1)
			unlock(&sched.lock)
		}
	}
	// 從本地隊列中獲取g
	if gp == nil {
		gp, inheritTime = runqget(_g_.m.p.ptr())
		// We can see gp != nil here even if the M is spinning,
		// if checkTimers added a local goroutine via goready.
	}
	// 如果從本地隊列獲取失敗，就會調(diào)用findrunnable函數(shù)去獲取g
	if gp == nil {
		gp, inheritTime = findrunnable() // blocks until work is available
	}
	......
	execute(gp, inheritTime)
}

execute

execute函數(shù)會為schedule獲取到的可執(zhí)行協(xié)程初始化相關(guān)結(jié)構(gòu)體，然后以sched結(jié)構(gòu)體為參數(shù)調(diào)用gogo函數(shù)：

func execute(gp *g, inheritTime bool) {
	_g_ := getg()
	// 初始化g結(jié)構(gòu)體
	// Assign gp.m before entering _Grunning so running Gs have an
	// M.
	_g_.m.curg = gp
	gp.m = _g_.m
	casgstatus(gp, _Grunnable, _Grunning)
	gp.waitsince = 0
	gp.preempt = false
	gp.stackguard0 = gp.stack.lo + _StackGuard
	if !inheritTime {
		_g_.m.p.ptr().schedtick++
	}
	......
	// 匯編實現(xiàn)的函數(shù)，通過gobuf結(jié)構(gòu)體中的信息，跳轉(zhuǎn)到執(zhí)行業(yè)務(wù)的方法
	gogo(&gp.sched)

gogo

gogo函數(shù)實際上是匯編實現(xiàn)的，每個操作系統(tǒng)實現(xiàn)的gogo方法是不同的，它會通過傳進來的gobuf結(jié)構(gòu)體，先向普通協(xié)程棧中壓入goexit函數(shù)，然后跳轉(zhuǎn)到執(zhí)行業(yè)務(wù)的方法，協(xié)程棧也會被切換成業(yè)務(wù)協(xié)程自己的棧。

業(yè)務(wù)方法

業(yè)務(wù)方法就是協(xié)程中需要執(zhí)行的相關(guān)函數(shù)。

goexit

goexit也是匯編實現(xiàn)的，當(dāng)執(zhí)行完協(xié)程棧中的業(yè)務(wù)方法之后，就會退到goexit方法中，它會將業(yè)務(wù)協(xié)程的棧切換成調(diào)度器的棧（也就是g0棧），然后重新調(diào)用schedule函數(shù)，形成一個閉環(huán)。

GMP調(diào)度模型

上述的調(diào)度模型是單線程的，但是現(xiàn)代CPU往往是多核的，應(yīng)用采用的也是多線程，因此單線程調(diào)度模型有些浪費資源。所以我們在實際使用中，其實是一種多線程循環(huán)。但是多個線程在獲取可執(zhí)行g(shù)的時候就會存在并發(fā)沖突的問題，所以就有了GMP調(diào)度模型。

GMP調(diào)度模型簡單來說是這樣的：

G是指協(xié)程goroutine，M是指操作系統(tǒng)線程，P是指調(diào)度器。

首先，GMP調(diào)度模型中有一個全局隊列，用于存放等待運行的G。然后每個P都有自己的本地隊列，存放的也是等待運行的G，但是存的數(shù)量有限，不會超過256個。我們新建goroutine的時候，是優(yōu)先放到P的本地隊列中的，如果隊列滿了，會把本地隊列中一半的G都移到全局隊列中。

線程想運行任務(wù)就得獲取P，從P的本地隊列獲取G，G執(zhí)行之后，M會從P獲取下一個G，不斷重復(fù)下去。P隊列為空時，M會嘗試從全局隊列拿一批G放到P的本地隊列，如果獲取不到就會從其他P的本地隊列偷一半放到自己P的本地隊列。

當(dāng)M執(zhí)行某一個G時候如果發(fā)生了系統(tǒng)調(diào)用或者其余阻塞操作，M會阻塞，如果當(dāng)前有一些G在執(zhí)行，runtime會把這個線程M從P中摘除(detach)，然后再創(chuàng)建一個新的操作系統(tǒng)的線程(如果有空閑的線程可用就復(fù)用空閑線程)來服務(wù)于這個P。當(dāng)M系統(tǒng)調(diào)用結(jié)束時候，這個G會嘗試獲取一個空閑的P執(zhí)行，并放入到這個P的本地隊列。如果獲取不到P，那么這個線程M變成休眠狀態(tài)， 加入到空閑線程中，然后這個G會被放入全局隊列中。

P的底層結(jié)構(gòu)

我們發(fā)現(xiàn)GMP調(diào)度模型中有一個P，P就是調(diào)度器，我們來看一下P的底層數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，同樣在runtime\runtime2.go文件中：

type p struct {
	id          int32
	status      uint32 // one of pidle/prunning/...
	// 指向調(diào)度器服務(wù)的那個線程
	m           muintptr   // back-link to associated m (nil if idle)
	// Queue of runnable goroutines. Accessed without lock.
	// 調(diào)度器的本地隊列，因為只服務(wù)于一個線程，所以可以無鎖的訪問，隊列本身實際上是一個大小為256的指針數(shù)組
	runqhead uint32
	runqtail uint32
	runq     [256]guintptr
	// 指向下一個可用g的指針
	runnext guintptr
}

協(xié)程并發(fā)

我們上面介紹的調(diào)度模型實際上是非搶占式的，非搶占式模型的特點就是只有當(dāng)協(xié)程主動讓出后，M才會去運行本地隊列后面的協(xié)程，那么這樣就很容易造成隊列尾部的協(xié)程餓死。

其實Go語言的協(xié)程是基于搶占式來實現(xiàn)的，也就是當(dāng)協(xié)程執(zhí)行一段時間后將當(dāng)前任務(wù)暫定，執(zhí)行后續(xù)協(xié)程任務(wù)，防止時間敏感攜程執(zhí)行失敗。如下圖所示：

搶占式調(diào)度

當(dāng)目前線程中執(zhí)行的協(xié)程是一個超長時間的任務(wù)，此時先保存該協(xié)程的運行狀態(tài)也就是保護現(xiàn)場，若是后續(xù)還需繼續(xù)執(zhí)行就將其放入本地隊列中去，如果不需要執(zhí)行就將其處于休眠狀態(tài)，然后直接跳轉(zhuǎn)到schedule函數(shù)中。

實現(xiàn)：

• 主動掛?。篻opark方法，當(dāng)業(yè)務(wù)調(diào)用這個方法線程就會直接回到schedule函數(shù)并切換協(xié)程棧，當(dāng)前運行的協(xié)程將會處于等待狀態(tài)，等待狀態(tài)的協(xié)程是無法立即進入任務(wù)隊列中的。程序員無法主動調(diào)用gopark函數(shù)，但是我們可以通過Sleep等具有g(shù)opark的函數(shù)來進行主動掛取，Sleep五秒之后系統(tǒng)將會把任務(wù)的等待狀態(tài)更改為運行狀態(tài)放入隊列中。

• 系統(tǒng)調(diào)用完成時：go程序在運行狀態(tài)中進行了系統(tǒng)調(diào)用，那么當(dāng)系統(tǒng)的底層調(diào)用完成后就會調(diào)用exitsyscall函數(shù)，線程就會停止執(zhí)行當(dāng)前協(xié)程，將當(dāng)前協(xié)程放入隊列中去。

• 標(biāo)記搶占morestack()：當(dāng)函數(shù)跳轉(zhuǎn)時都會調(diào)用這個方法，它的本意在于檢查當(dāng)前協(xié)程?？臻g是否有足夠內(nèi)存，如果不夠就要擴大該?？臻g。當(dāng)系統(tǒng)監(jiān)控到協(xié)程運行超過10ms，就將g.stackguard0置為0xfffffade（該值是一個搶占標(biāo)志），讓程序在只執(zhí)行morestack函數(shù)時順便判斷一下是否將g中的stackguard置為搶占，如果的確被標(biāo)記搶占，就回到schedule方法，并將當(dāng)前協(xié)程放回隊列中。

全局隊列的饑餓問題

上述操作讓本地隊列成了一個小循環(huán)，但是如果目前系統(tǒng)中的線程的本地隊列中都擁有一個超大的協(xié)程任務(wù)，那么所有的線程都將在一段時間內(nèi)處于忙碌狀態(tài)，全局隊列中的任務(wù)將會長期無法運行，這個問題又稱為全局隊列饑餓問題，解決方式就是在本地隊列循環(huán)時，以一定的概率從全局隊列中取出某個任務(wù)，讓它也參與到本地循環(huán)當(dāng)中去。

其實在執(zhí)行schedule函數(shù)尋找可運行g(shù)的時候，首先會去執(zhí)行下面的代碼，即調(diào)度過程中有1/61的概率去全局隊列中獲取可執(zhí)行的協(xié)程，防止全局隊列中的協(xié)程被餓死。

	// 調(diào)度過程中有1/61的概率檢查全局隊列，確保全局隊列中的G也會被調(diào)度。
	if gp == nil {
		// Check the global runnable queue once in a while to ensure fairness.
		// Otherwise two goroutines can completely occupy the local runqueue
		// by constantly respawning each other.
		if _g_.m.p.ptr().schedtick%61 == 0 && sched.runqsize > 0 {
			lock(&sched.lock)
			gp = globrunqget(_g_.m.p.ptr(), 1)
			unlock(&sched.lock)
		}
	}

到此，相信大家對“Go協(xié)程如何實現(xiàn)”有了更深的了解，不妨來實際操作一番吧！這里是億速云網(wǎng)站，更多相關(guān)內(nèi)容可以進入相關(guān)頻道進行查詢，關(guān)注我們，繼續(xù)學(xué)習(xí)！