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GO的并发之道-Goroutine调度原理&Channel详解(一)
2019-09-03 02:42:22 】 浏览:37
Tags:并发 -Goroutine 调度 原理 &Channel 详解

并发(并行),一直以来都是一个编程语言里的核心主题之一,也是被开发者关注最多的话题;Go语言作为一个出道以来就自带 『高并发』光环的富二代编程语言,它的并发(并行)编程肯定是值得开发者去探究的,而Go语言中的并发(并行)编程是经由goroutine实现的,goroutine是golang最重要的特性之一,具有使用成本低、消耗资源低、能效高等特点,官方宣称原生goroutine并发成千上万不成问题,于是它也成为Gopher们经常使用的特性。

一、goroutine简介

Golang被极度赞扬的是它的异步机制,也就是goroutine。goroutine使用方式非常的简单,只需使用go关键字即可启动一个协程, 并且它是处于异步方式运行,你不需要等它运行完成以后再执行以后的代码。

go func()//通过go关键字启动一个协程来运行函数

除去语法上的简洁,goroutine是一个协程,也就是比线程更节省资源,一个线程中可以有多个协程,而且goroutine被分配到多个CPU上运行,是真正意义上的并发。

go func()//通过go关键字启动一个协程来运行函数

二、goroutine内部原理

在介绍goroutine原理之前,先对一些关键概念进行介绍:

关键概念

并发

一个cpu上能同时执行多项任务,在很短时间内,cpu来回切换任务执行(在某段很短时间内执行程序a,然后又迅速得切换到程序b去执行),有时间上的重叠(宏观上是同时的,微观仍是顺序执行),这样看起来多个任务像是同时执行,这就是并发。

并行

当系统有多个CPU时,每个CPU同一时刻都运行任务,互不抢占自己所在的CPU资源,同时进行,称为并行。

简单理解

你吃饭吃到一半,电话来了,你一直到吃完了以后才去接,这就说明你不支持并发也不支持并行。
你吃饭吃到一半,电话来了,你停了下来接了电话,接完后继续吃饭,这说明你支持并发。
你吃饭吃到一半,电话来了,你一边打电话一边吃饭,这说明你支持并行。

并发的关键是你有处理多个任务的能力,不一定要同时。
并行的关键是你有同时处理多个任务的能力。

在计算机中就是:

所以我认为它们最关键的点就是:是否是『同时』。

  

进程

cpu在切换程序的时候,如果不保存上一个程序的状态(也就是我们常说的context--上下文),直接切换下一个程序,就会丢失上一个程序的一系列状态,于是引入了进程这个概念,用以划分好程序运行时所需要的资源。

因此进程就是一个程序运行时候的所需要的基本资源单位(也可以说是程序运行的一个实体)。

线程

cpu切换多个进程的时候,会花费不少的时间,因为切换进程需要切换到内核态,而每次调度需要内核态都需要读取用户态的数据,进程一旦多起来,cpu调度会消耗一大堆资源,因此引入了线程的概念,线程本身几乎不占有资源,他们共享进程里的资源,内核调度起来不会那么像进程切换那么耗费资源。

线程是进程的一个执行实体,是CPU调度和分派的基本单位,它是比进程更小的能独立运行的基本单位。

NOTE:线程包括三大类,而且goroutine也并非真正地协程。(请查看:《线程那些事儿》)

有时候为了方便理解可以简单把goroutine类比成协程,但心里一定要有个清晰的认知 — goroutine并不等同于协程。

协程

协程拥有自己的寄存器上下文和栈。协程调度切换时,将寄存器上下文和栈保存到其他地方,在切回来的时候,恢复先前保存的寄存器上下文和栈。因此,协程能保留上一次调用时的状态(即所有局部状态的一个特定组合),每次过程重入时,就相当于进入上一次调用的状态,换种说法:进入上一次离开时所处逻辑流的位置。线程和进程的操作是由程序触发系统接口,最后的执行者是系统;协程的操作执行者则是用户自身程序,goroutine也是协程。

 

 

G-P-M调度模型简介

groutine能拥有强大的并发实现是通过GPM调度模型实现,下面就来解释下goroutine的调度模型。

 

Go的调度器内部的三个重要的结构:M,P,G
M:M代表内核级线程,一个M就是一个线程,goroutine就是跑在M之上的;M是一个很大的结构,里面维护小对象内存cache(mcache)、当前执行的goroutine、随机数发生器等等非常多的信息
G:代表一个goroutine,它有自己的栈,instruction pointer和其他信息(正在等待的channel等等),用于调度。
P:P全称是Processor,处理器,它的主要用途就是用来执行goroutine的,所以它也维护了一个goroutine队列,里面存储了所有需要它来执行的goroutine

NOTE:G-P-M模型详解,请查看该篇博文。

 

调度实现

从上图中看,有2个物理线程M,每一个M都拥有一个处理器P,每一个也都有一个正在运行的goroutine。
P的数量可以通过GOMAXPROCS()来设置,它其实也就代表了真正的并发度,即有多少个goroutine可以同时运行。
图中灰色的那些goroutine并没有运行,而是出于ready的就绪态,正在等待被调度。P维护着这个队列(称之为runqueue),
Go语言里,启动一个goroutine很容易:go function 就行,所以每有一个go语句被执行,runqueue队列就在其末尾加入一个
goroutine,在下一个调度点,就从runqueue中取出(如何决定取哪个goroutine?)一个goroutine执行。

 

当一个OS线程M0陷入阻塞时(如下图),P转而在运行M1,图中的M1可能是正被创建,或者从线程缓存中取出。

 


当MO返回时,它必须尝试取得一个P来运行goroutine,一般情况下,它会从其他的OS线程那里拿一个P过来,
如果没有拿到的话,它就把goroutine放在一个global runqueue里,然后自己睡眠(放入线程缓存里)。所有的P也会周期性的检查global runqueue并运行其中的goroutine,否则global runqueue上的goroutine永远无法执行。
 
另一种情况是P所分配的任务G很快就执行完了(分配不均),这就导致了这个处理器P很忙,但是其他的P还有任务,此时如果global runqueue没有任务G了,那么P不得不从其他的P里拿一些G来执行。一般来说,如果P从其他的P那里要拿任务的话,一般就拿run queue的一半,这就确保了每个OS线程都能充分的使用,如下图:
参考地址:http://morsmachine.dk/go-scheduler
 

三、使用goroutine

基本使用

设置goroutine运行的CPU数量,最新版本的go已经默认已经设置了。

num := runtime.NumCPU()    //获取主机的逻辑CPU个数
runtime.GOMAXPROCS(num)    //设置可同时执行的最大CPU数

使用示例

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