Go语言并发机制

Go语言中的并发

使用goroutine编程

使用 go 关键字用来创建 goroutine 。将go声明放到一个需调用的函数之前，在相同地址空间调用运行这个函数，这样该函数执行时便会作为一个独立的并发线程。这种线程在Go语言中称作goroutine。

goroutine的用法如下：

//go 关键字放在方法调用前新建一个 goroutine 并执行方法体
go GetThingDone(param1, param2);

//新建一个匿名方法并执行
go func(param1, param2) {
}(val1, val2)

//直接新建一个 goroutine 并在 goroutine 中执行代码块
go {
    //do someting...
}

因为 goroutine 在多核 cpu 环境下是并行的。如果代码块在多个 goroutine 中执行，我们就实现了代码并行。

如果我们需要了解程序的执行情况，怎么拿到并行的结果呢？需要配合使用channel进行。

使用Channel控制并发

Channels用来同步并发执行的函数并提供它们某种传值交流的机制。

通过channel传递的元素类型、容器（或缓冲区）和传递的方向由“<-”操作符指定。

可以使用内置函数 make分配一个channel:

i := make(chan int)       // by default the capacity is 0
s := make(chan string, 3) // non-zero capacity

r := make(<-chan bool)          // can only read from
w := make(chan<- []os.FileInfo) // can only write to

配置runtime.GOMAXPROCS

使用下面的代码可以显式的设置是否使用多核来执行并发任务：

runtime.GOMAXPROCS()　

GOMAXPROCS的数目根据任务量分配就可以，但是不要大于cpu核数。 
配置并行执行比较适合适合于CPU密集型、并行度比较高的情景，如果是IO密集型使用多核的化会增加cpu切换带来的性能损失。

了解了Go语言的并发机制，接下来看一下goroutine 机制的具体实现。

Go的CSP并发模型

Go实现了两种并发形式。第一种是大家普遍认知的：多线程共享内存。其实就是Java或者C++等语言中的多线程开发。另外一种是Go语言特有的，也是Go语言推荐的：CSP（communicating sequential processes）并发模型。

CSP并发模型是在1970年左右提出的概念，属于比较新的概念，不同于传统的多线程通过共享内存来通信，CSP讲究的是“以通信的方式来共享内存”。

请记住下面这句话：
Do not communicate by sharing memory; instead, share memory by communicating.
“不要以共享内存的方式来通信，相反，要通过通信来共享内存。”

普通的线程并发模型，就是像Java、C++、或者Python，他们线程间通信都是通过共享内存的方式来进行的。非常典型的方式就是，在访问共享数据（例如数组、Map、或者某个结构体或对象）的时候，通过锁来访问，因此，在很多时候，衍生出一种方便操作的数据结构，叫做“线程安全的数据结构”。例如Java提供的包”java.util.concurrent”中的数据结构。Go中也实现了传统的线程并发模型。

Go的CSP并发模型，是通过goroutine和channel来实现的。

• goroutine 是Go语言中并发的执行单位。有点抽象，其实就是和传统概念上的”线程“类似，可以理解为”线程“。
• channel是Go语言中各个并发结构体(goroutine)之前的通信机制。 通俗的讲，就是各个goroutine之间通信的”管道“，有点类似于Linux中的管道。

生成一个goroutine的方式非常的简单：Go一下，就生成了。

go f();

通信机制channel也很方便，传数据用channel <- data，取数据用<-channel。

在通信过程中，传数据channel <- data和取数据<-channel必然会成对出现，因为这边传，那边取，两个goroutine之间才会实现通信。

而且不管传还是取，必阻塞，直到另外的goroutine传或者取为止。

有两个goroutine，其中一个发起了向channel中发起了传值操作。（goroutine为矩形，channel为箭头）

左边的goroutine开始阻塞，等待有人接收。

这时候，右边的goroutine发起了接收操作。

右边的goroutine也开始阻塞，等待别人传送。

这时候，两边goroutine都发现了对方，于是两个goroutine开始一传，一收。

这便是Golang CSP并发模型最基本的形式。

几种不同的多线程模型

用户线程与内核级线程

线程的实现可以分为两类：用户级线程(User-LevelThread, ULT)和内核级线程(Kemel-LevelThread, KLT)。用户线程由用户代码支持，内核线程由操作系统内核支持。

多线程模型

多线程模型即用户级线程和内核级线程的不同连接方式。

（1）多对一模型（M : 1）

将多个用户级线程映射到一个内核级线程，线程管理在用户空间完成。
此模式中，用户级线程对操作系统不可见（即透明）。

优点：
这种模型的好处是线程上下文切换都发生在用户空间，避免的模态切换（mode switch），从而对于性能有积极的影响。
缺点：所有的线程基于一个内核调度实体即内核线程，这意味着只有一个处理器可以被利用，在多处理环境下这是不能够被接受的，本质上，用户线程只解决了并发问题，但是没有解决并行问题。

如果线程因为 I/O 操作陷入了内核态，内核态线程阻塞等待 I/O 数据，则所有的线程都将会被阻塞，用户空间也可以使用非阻塞而 I/O，但是还是有性能及复杂度问题。

（2） 一对一模型（1：1）

将每个用户级线程映射到一个内核级线程。

每个线程由内核调度器独立的调度，所以如果一个线程阻塞则不影响其他的线程。
优点：在多核处理器的硬件的支持下，内核空间线程模型支持了真正的并行，当一个线程被阻塞后，允许另一个线程继续执行，所以并发能力较强。

缺点：每创建一个用户级线程都需要创建一个内核级线程与其对应，这样创建线程的开销比较大，会影响到应用程序的性能。

（3）多对多模型（M : N）

内核线程和用户线程的数量比为 M : N，内核用户空间综合了前两种的优点。

这种模型需要内核线程调度器和用户空间线程调度器相互操作，本质上是多个线程被绑定到了多个内核线程上，这使得大部分的线程上下文切换都发生在用户空间，而多个内核线程又可以充分利用处理器资源。

goroutine机制的调度实现

goroutine机制实现了M : N的线程模型，goroutine机制是协程（coroutine）的一种实现，golang内置的调度器，可以让多核CPU中每个CPU执行一个协程。

理解goroutine机制的原理，关键是理解Go语言scheduler的实现。

调度器是如何工作的

Go语言中支撑整个scheduler实现的主要有4个重要结构，分别是M、G、P、Sched，
前三个定义在runtime.h中，Sched定义在proc.c中。

• Sched结构就是调度器，它维护有存储M和G的队列以及调度器的一些状态信息等。
• M结构是Machine，系统线程，它由操作系统管理的，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。
• P结构是Processor，处理器，它的主要用途就是用来执行goroutine的，它维护了一个goroutine队列，即runqueue。Processor是让我们从N:1调度到M:N调度的重要部分。
• G是goroutine实现的核心结构，它包含了栈，指令指针，以及其他对调度goroutine很重要的信息，例如其阻塞的channel。

Processor的数量是在启动时被设置为环境变量GOMAXPROCS的值，或者通过运行时调用函数GOMAXPROCS()进行设置。Processor数量固定意味着任意时刻只有GOMAXPROCS个线程在运行go代码。

参考这篇传播很广的博客：http://morsmachine.dk/go-scheduler
我们分别用三角形，矩形和圆形表示Machine Processor和Goroutine。

在单核处理器的场景下，所有goroutine运行在同一个M系统线程中，每一个M系统线程维护一个Processor，任何时刻，一个Processor中只有一个goroutine，其他goroutine在runqueue中等待。一个goroutine运行完自己的时间片后，让出上下文，回到runqueue中。

以上这个图讲的是两个线程(内核线程)的情况。一个M会对应一个内核线程，一个M也会连接一个上下文P，一个上下文P相当于一个“处理器”，一个上下文连接一个或者多个Goroutine。P(Processor)的数量是在启动时被设置为环境变量GOMAXPROCS的值，或者通过运行时调用函数runtime.GOMAXPROCS()进行设置。Processor数量固定意味着任意时刻只有固定数量的线程在运行go代码。Goroutine中就是我们要执行并发的代码。图中P正在执行的Goroutine为蓝色的；处于待执行状态的Goroutine为灰色的，灰色的Goroutine形成了一个队列runqueues

三者关系的宏观的图为：

抛弃P(Processor)

你可能会想，为什么一定需要一个上下文，我们能不能直接除去上下文，让Goroutine的runqueues挂到M上呢？答案是不行，需要上下文的目的，是让我们可以直接放开其他线程，当遇到内核线程阻塞的时候。

一个很简单的例子就是系统调用sysall，一个线程肯定不能同时执行代码和系统调用被阻塞，这个时候，此线程M需要放弃当前的上下文环境P，以便可以让其他的Goroutine被调度执行。

如上图左图所示，M0中的G0执行了syscall，然后就创建了一个M1(也有可能本身就存在，没创建)，（转向右图）然后M0丢弃了P，等待syscall的返回值，M1接受了P，将·继续执行Goroutine队列中的其他Goroutine。

当系统调用syscall结束后，M0会“偷”一个上下文，如果不成功，M0就把它的Gouroutine G0放到一个全局的runqueue中，然后自己放到线程池或者转入休眠状态。全局runqueue是各个P在运行完自己的本地的Goroutine runqueue后用来拉取新goroutine的地方。P也会周期性的检查这个全局runqueue上的goroutine，否则，全局runqueue上的goroutines可能得不到执行而饿死。

均衡的分配工作

按照以上的说法，上下文P会定期的检查全局的goroutine 队列中的goroutine，以便自己在消费掉自身Goroutine队列的时候有事可做。假如全局goroutine队列中的goroutine也没了呢？就从其他运行的中的P的runqueue里偷。

每个P中的Goroutine不同导致他们运行的效率和时间也不同，在一个有很多P和M的环境中，不能让一个P跑完自身的Goroutine就没事可做了，因为或许其他的P有很长的goroutine队列要跑，得需要均衡。
该如何解决呢？

Go的做法倒也直接，从其他P中偷一半！

参考：

https://yq.aliyun.com/articles/72365

http://morsmachine.dk/go-scheduler

https://studygolang.com/articles/11825