Go 語言相比Java等一個很大的優勢就是可以友善地編寫并發程式。Go 語言内置了 goroutine 機制，使用goroutine可以快速地開發并發程式， 更好的利用多核處理器資源。這篇文章學習 goroutine 的應用及其排程實作。
一、Go語言對并發的支援
使用goroutine程式設計
使用 go 關鍵字用來建立 goroutine 。将go聲明放到一個需調用的函數之前，在相同位址空間調用運作這個函數，這樣該函數執行時便會作為一個獨立的并發線程。這種線程在Go語言中稱作goroutine。
goroutine的用法如下：
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因為 goroutine 在多核 cpu 環境下是并行的。如果代碼塊在多個 goroutine 中執行，我們就實作了代碼并行。
如果需要了解程式的執行情況，怎麼拿到并行的結果呢？需要配合使用channel進行。
使用Channel控制并發
Channels用來同步并發執行的函數并提供它們某種傳值交流的機制。
通過channel傳遞的元素類型、容器（或緩沖區）和傳遞的方向由“<-”操作符指定。
可以使用内置函數 make配置設定一個channel:
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配置runtime.GOMAXPROCS
使用下面的代碼可以顯式的設定是否使用多核來執行并發任務：
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GOMAXPROCS的數目根據任務量配置設定就可以，但是不要大于cpu核數。
配置并行執行比較适合适合于CPU密集型、并行度比較高的情景，如果是IO密集型使用多核的化會增加cpu切換帶來的性能損失。
了解了Go語言的并發機制，接下來看一下goroutine 機制的具體實作。
二、差別并行與并發
程序、線程與處理器
在現代作業系統中，線程是處理器排程和配置設定的基本機關，程序則作為資源擁有的基本機關。每個程序是由私有的虛拟位址空間、代碼、資料和其它各種系統資源組成。線程是程序内部的一個執行單元。 每一個程序至少有一個主執行線程，它無需由使用者去主動建立，是由系統自動建立的。 使用者根據需要在應用程式中建立其它線程，多個線程并發地運作于同一個程序中。
并行與并發
并行與并發（Concurrency and Parallelism）是兩個不同的概念，了解它們對于了解多線程模型非常重要。
在描述程式的并發或者并行時，應該說明從程序或者線程的角度出發。
- 并發：一個時間段内有很多的線程或程序在執行，但何時間點上都隻有一個在執行，多個線程或程序争搶時間片輪流執行
- 并行：一個時間段和時間點上都有多個線程或程序在執行
非并發的程式隻有一個垂直的控制邏輯，在任何時刻，程式隻會處在這個控制邏輯的某個位置，也就是順序執行。如果一個程式在某一時刻被多個CPU流水線同時進行處理，那麼我們就說這個程式是以并行的形式在運作。
并行需要硬體支援，單核處理器隻能是并發，多核處理器才能做到并行執行。
- 并發是并行的必要條件，如果一個程式本身就不是并發的，也就是隻有一個邏輯執行順序，那麼我們不可能讓其被并行處理。
- 并發不是并行的充分條件，一個并發的程式，如果隻被一個CPU進行處理(通過分時)，那麼它就不是并行的。
舉一個例子，編寫一個最簡單的順序結構程式輸出"Hello World"，它就是非并發的，如果在程式中增加多線程，每個線程列印一個"Hello World"，那麼這個程式就是并發的。如果運作時隻給這個程式配置設定單個CPU，這個并發程式還不是并行的，需要部署在多核處理器上，才能實作程式的并行。
三、幾種不同的多線程模型
使用者線程與核心級線程
線程的實作可以分為兩類：使用者級線程(User-LevelThread, ULT)和核心級線程(Kemel-LevelThread, KLT)。使用者線程由使用者代碼支援，核心線程由作業系統核心支援。
多線程模型
多線程模型即使用者級線程和核心級線程的不同連接配接方式。
（1）多對一模型（M : 1）
将多個使用者級線程映射到一個核心級線程，線程管理在使用者空間完成。 此模式中，使用者級線程對作業系統不可見（即透明）。
優點： 這種模型的好處是線程上下文切換都發生在使用者空間，避免的模态切換（mode switch），進而對于性能有積極的影響。
缺點：所有的線程基于一個核心排程實體即核心線程，這意味着隻有一個處理器可以被利用，在多處理器環境下這是不能夠被接受的，本質上，使用者線程隻解決了并發問題，但是沒有解決并行問題。如果線程因為 I/O 操作陷入了核心态，核心态線程阻塞等待 I/O 資料，則所有的線程都将會被阻塞，使用者空間也可以使用非阻塞而 I/O，但是不能避免性能及複雜度問題。
（2） 一對一模型（1：1）
将每個使用者級線程映射到一個核心級線程。
每個線程由核心排程器獨立的排程，是以如果一個線程阻塞則不影響其他的線程。
優點：在多核處理器的硬體的支援下，核心空間線程模型支援了真正的并行，當一個線程被阻塞後，允許另一個線程繼續執行，是以并發能力較強。
缺點：每建立一個使用者級線程都需要建立一個核心級線程與其對應，這樣建立線程的開銷比較大，會影響到應用程式的性能。
（3）多對多模型（M : N）
核心線程和使用者線程的數量比為 M : N，核心使用者空間綜合了前兩種的優點。
這種模型需要核心線程排程器和使用者空間線程排程器互相操作，本質上是多個線程被綁定到了多個核心線程上，這使得大部分的線程上下文切換都發生在使用者空間，而多個核心線程又可以充分利用處理器資源。
四、goroutine機制的排程實作
goroutine機制實作了M : N的線程模型，goroutine機制是協程（coroutine）的一種實作，golang内置的排程器，可以讓多核CPU中每個CPU執行一個協程。
了解goroutine機制的原理，關鍵是了解Go語言scheduler的實作。
排程器是如何工作的
Go語言中支撐整個scheduler實作的主要有4個重要結構，分别是M、G、P、Sched， 前三個定義在runtime.h中，Sched定義在proc.c中。
- Sched結構就是排程器，它維護有存儲M和G的隊列以及排程器的一些狀态資訊等。
- M結構是Machine，系統線程，它由作業系統管理的，goroutine就是跑在M之上的；M是一個很大的結構，裡面維護小對象記憶體cache（mcache）、目前執行的goroutine、随機數發生器等等非常多的資訊。
- P結構是Processor，處理器，它的主要用途就是用來執行goroutine的，它維護了一個goroutine隊列，即runqueue。Processor是讓我們從N:1排程到M:N排程的重要部分。
- G是goroutine實作的核心結構，它包含了棧，指令指針，以及其他對排程goroutine很重要的資訊，例如其阻塞的channel。
Processor的數量是在啟動時被設定為環境變量GOMAXPROCS的值，或者通過運作時調用函數GOMAXPROCS()進行設定。Processor數量固定意味着任意時刻隻有GOMAXPROCS個線程在運作go代碼。
參考這篇傳播很廣的部落格：http://morsmachine.dk/go-scheduler
我們分别用三角形，矩形和圓形表示Machine Processor和Goroutine。
在單核處理器的場景下，所有goroutine運作在同一個M系統線程中，每一個M系統線程維護一個Processor，任何時刻，一個Processor中隻有一個goroutine，其他goroutine在runqueue中等待。一個goroutine運作完自己的時間片後，讓出上下文，回到runqueue中。 多核處理器的場景下，為了運作goroutines，每個M系統線程會持有一個Processor。
在正常情況下，scheduler會按照上面的流程進行排程，但是線程會發生阻塞等情況，看一下goroutine對線程阻塞等的處理。
線程阻塞
當正在運作的goroutine阻塞的時候，例如進行系統調用，會再建立一個系統線程（M1），目前的M線程放棄了它的Processor，P轉到新的線程中去運作。
runqueue執行完成
當其中一個Processor的runqueue為空，沒有goroutine可以排程。它會從另外一個上下文偷取一半的goroutine。
五、對并發實作的進一步思考
Go語言的并發機制還有很多值得探讨的，比如Go語言和Scala并發實作的不同，Golang CSP 和Actor模型的對比等。
了解并發機制的這些實作，可以幫助我們更好的進行并發程式的開發，實作性能的最優化。
關于三種多線程模型，可以關注一下Java語言的實作。
我們知道Java通過JVM封裝了底層作業系統的差異，而不同的作業系統可能使用不同的線程模型，例如Linux和windows可能使用了一對一模型，solaris和unix某些版本可能使用多對多模型。JVM規範裡沒有規定多線程模型的具體實作，1:1（核心線程）、N:1（使用者态線程）、M:N（混合）模型的任何一種都可以。談到Java語言的多線程模型，需要針對具體JVM實作，比如Oracle/Sun的HotSpot VM，預設使用1:1線程模型。
參考連結
http://www.infoq.com/cn/articles/knowledge-behind-goroutine
http://jolestar.com/parallel-programming-model-thread-goroutine-actor/
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