Golang（三）Goroutine原理

前言

• 最近用到了一些 Golang 異步程式設計的地方，感覺 Golang 相對于其他語言（如 Java）對多線程程式設計的支援非常大，使用起來也非常友善。于是決定了解一下 Goroutine 的底層原理。
• Goroutine 本質是協程，是實作并行計算的核心。隻需要在對應的函數前加上 Go 關鍵詞即可異步執行：

go func() {
}()      

基本概念

• 并發：一段時間内執行多個程式，即在一個 cpu 上切換着執行多項任務，宏觀上是同時的，微觀上是順序執行
• 并行：同時執行多個程式，即在多個 cpu 上同時運作不同任務，不需要上下文切換執行不同任務達到宏觀同時進行的效果
• 程序：程序是計算機中的程式關于某資料集合上的一次運作活動，是系統進行資源配置設定和排程的基本機關。是具有獨立功能的程式關于某個資料集合的一次運作活動。它可以申請和擁有系統資源，是一個動态的概念，是一個活動的實體
• 線程：線程是程序的一個實體，是 cpu 排程和分派的基本機關，它是比程序更小的能獨立運作的基本機關。線程自己基本上不擁有系統資源，隻擁有一點在運作中必不可少的資源（如程式計數器、一組寄存器和棧），但是它可與同屬一個程序的其他的線程共享程序所擁有的全部資源。線程間通信主要通過共享記憶體，上下文切換較快，資源開銷較少
• 協程：是一種使用者态的輕量級線程，協程的排程完全由使用者控制。線程和程序的操作是由程式觸發系統接口，最後的執行者是系統；協程的操作執行者則是使用者自身程式。協程擁有自己的寄存器上下文和棧。協程排程切換時，将寄存器上下文和棧儲存到其他地方，在切回來的時候，恢複先前儲存的寄存器上下文和棧，直接操作棧則基本沒有核心切換的開銷，可以不加鎖的通路全局變量，是以上下文的切換非常快。Goroutine 就是一種協程

排程模型

• Goroutine 并發排程通過 GPM 模型實作，包含四個結構：M、G、P、Sched：
  • M：代表核心級線程，一個 M 對應一個線程
  • G：代表一個 Goroutine，包含自己的棧、程式計數器等資訊
  • P：指處理器，主要用途是用來執行 Goroutine，維護一個 Goroutine 隊列，同時還有一個全局隊列。每一個運作的 M 都必須綁定一個 P，就像線程必須在麼一個 cpu 核上執行一樣
  • Sched：代表排程器，維護 M 和 G 的隊列和狀态資訊

• 如上圖，2 個 M，每個 M 擁有 1 個 P 和 1 個正在運作的 G。
• P 的數量可以通過 GOMAXPROCS() 設定，代表有多少個 Goroutine 可以同時運作。

調用異步

• 執行 go func() 時，會在隊列尾部加入一個 Goroutine。
• 如果此時還有空閑的 P，則建立一個 M。M 會啟動一個底層線程，循環執行能找到的 G 任務。
• G 任務的執行任務是：先從本地隊列找，本地沒有則從全局隊列找。一次轉移 num(G)/num(P) 個任務，再去其他 P 中擷取隊列一半的任務。

監視逾時

• 啟動一個 G 時，會專門建立一個 Sysmon，用來監視和管理。記錄所有 P 的 G 任務計數 schedtick（schedtick 會在每執行一個 G 任務後遞增）。
• 如果檢查到 schedtick 一直沒有遞增，說明這個 P 一直在執行同一個 G 任務，如果超過一定時間（10ms），就在這個 G 任務的棧資訊裡加一個标記。
• 内聯函數執行時發現标記則中斷自己，把自己加到隊列末尾；非内聯函數則會忽視标記，一直執行到結束。

中斷恢複

• 對于一個 G 任務中斷後：中斷時将寄存器資訊儲存在 G 對象裡，再次執行時将棧資訊複制到寄存器裡，繼續執行。

首次啟動

• 系統啟動時主線程啟動，第一個 M1 就是主線程，M1 會綁定一個 P。
• main 函數作為第一個 Goroutine 執行。
• main 裡其他的 Goroutine 會綁定到目前 M1 的 P1 上。
• 執行 main 裡的 Goroutine 時，會建立新的 M2，新 M2 的初始 P2 本地任務隊列時空的，會從 P1 取一些過來。
• 然後依此類推直到 M 數量達到限制。

參考文獻

• go語言之行--golang核武器goroutine排程原理、channel詳解
• 程序、線程、協程之概念了解
• 程序和線程、協程的差別
• golang的goroutine排程機制