「深入学习 Golang」之 Goroutine

进程、线程、协程

进程

进程是系统资源分配的最小单位
进程包括text region，data region和stack region等
进程的创建和销毁都是系统资源级别的，因此是一种比较昂贵的操作
进程是抢占式调度，他有三个状态：等待态、就绪态、运行态
进程之间是相互隔离的，每个进程有各自的系统资源，更加安全同时也带来了进程间通信不便的问题
进程是线程的载体

线程

同一个进程的多个线程共享进程的资源
每个线程也拥有自己的一少部分独立的资源
线程相比进程更加轻量，同一个进程内的多个线程通信比多个进程间通信容易，同时也带来了同步、互斥和线程安全的问题

协程

协程调度不需要内核参与，是完全由用户态程序决定的
协程不是抢占式调度，多个协程进行协作调度，避免了系统切换开销导致 CPU 使用率高

goroutine

协程并不是 Go 语言的特有机制，Go 语言是在原生语言层面支持的的协程。Go 语言可以通过通信实现 goroutine 之间的数据共享。

Golang 中，不要通过共享内存来通信，而应该通过通信来共享内存！

创建一个 goroutine 不需要太多的内存，大概 2KB 左右栈空间
goroutine 的创建、调度和销毁是runtime完成的，runtime会被分配一些线程，用来运行所有的 goroutine 在任何时候每个线程都只会运行一个 goroutine，如果一个 goroutine 被阻塞会进入休眠状态，待操作完成后再恢复，另外一个 goroutine 会替换它到对应的线程上运行
goroutine 的调度是协作式的。当切换 goroutine 时，调度器只需要保存和恢复三个寄存器：程序指针、栈指针和DX，切换开销很小
goroutine 的退出机制是，goroutine 的退出只能由本身控制，不允许外部强制结束该 goroutine。两种例外：1.main函数结束，2.程序崩溃结束运行。要实现主 goroutine 控制子 goroutine 的开始和结束，需要借助其他方式，比如context、channel、全局变量

goroutine 中的三个实体

G
- 代表一个 goroutine 对象，每次使用go调用的时候都会创建一个 G 对象，它包括栈,指令指针和调用 goroutine 重要的其他信息，比如阻塞它的 channel
M
- 代表一个线程，每次创建一个M的时候，都会用一个底层的线程被创建。所有的G任务最终还是在M上执行
- M会从绑定的运行队列（P）中取出G，然后运行G，如果G运行完毕或进入休眠状态，则从运行队列中取出下一个G，周而复始
P
- 代表一个处理器，每一个运行的M都必须绑定一个P，就像线程必须在每一个cpu核上执行一样。P会调度G到M上运行。P的个数就是GOMAXPROCS（最大256），M的个数和P不一定一样多，每个P有自己单独的本地G任务队列，也会有一个全局的G任务队列
- P可以理解为控制Go代码并行度的机制

相比较大多数并行设计模式，Golang 比较有优势的设计就是P上下文这个概念的出现，如果只有G和M的对应关系，那么当G阻塞在I/O上的时候，M是没有实际工作的，这样造成了资源的浪费，没有了P那么所有的G的列表都放在了全局，会导致临界区太大，对多核调度造成极大影响

调度器模型 GPM

相关 GPM 的内容参考：https://blog.linganmin.cn/posts/golang-gpm.html

并发控制

并行和并发

并发
- 指在同一时刻只能有一条指令执行，但多个进程指令被快速轮换执行，使得在宏观上具有多个任务同时执行的效果，但在微观上并不是同时执行的，只是把时间分成了若干段，使得多个进程快速交替执行。
并行
- 指在同一时刻有多条指令在多个处理器上同时运行。

并发编程在 CPU 密集型的程序中无法提升程序性能，更适用在在 I/O 密集型的程序中。

并发实现模型

多进程
- 优点
  - 每个进程独立，都有自己单独的内存空间和上下文信息。
- 缺点
  - 开销大
  - 进程间通信难
  - 进程间内存共享不方便
多线程
- 优点
  - 开销小
  - 轻量，创建和销毁成本低
  - 线程之间通信和共享内存方便
- 缺点
  - 频繁创建和销毁会导致开销大，可使用线程池
  - 数据紊乱、死锁
协程
- 优点
  - 不基于操作系统，基于程序，开销小

Golang 中的 CSP 并发模型

我们常见的多线程模型一般是通过共享内存实现的，但共享内存就会出现如：资源抢占、一致性的问题。为了解决这些问题，需要引入多线程锁、原子操作等限制来保证程序执行结果的正确性。

除了共享内存模型外，还有一个经典的模型就是 CSP 模型。CSP 全拼是 Communicating Sequential Processes，大致意思是通信顺序进程。CSP 描述了并发系统中的交互模式，是一种面向并发的的语言的源头。

Golang 只使用了CSP中的Process/Channel的部分，简单的说就是Process 映射=> Goroutine，Channel 映射=> Channel。Goroutine 之间是没有任何耦合，可以完全并发执行，Channel 用于给 Goroutine 传递消息，保持数据同步。

控制并发的方法

并发数据安全

锁
- sync.Mutex
  - 互斥锁
- sync.RWMutex
  - 读写锁
原子操作
- sync
- atomic

并发行为控制

开发 go 程序时，经常要使用 goroutine 并发处理任务，有时候这些 goroutine 是相互独立的，有时候多个 goroutine 之间往往是需要同步数据通信的，还有一种情况是，主 goroutine 需要控制所属于它的所有子 goroutine 。

实现 goroutine 间通信的方式大致如下

全局变量
- 实现
  - 声明一个全局变量
  - 所有子 goroutine 共享该全局变量，并不断轮训检测变量是否有更新
  - 主 goroutine 更新该变量
  - 子 goroutine 检测到全局变量更新，执行相应逻辑

Channel 通信

场景
- 某个任务中的某一个或多个 goroutine 依赖另一个 goroutine 中的条件或产生的结果

实现

channel + select

package main

import (
  "fmt"
  "time"
)

func main() {

  finish := make(chan bool)

  go func() {

    for true {
      fmt.Println("hello 小下")
      // 监听通知
      select {
      case <-finish:
        return
      default:
        time.Sleep(time.Millisecond * 500)
      }
    }

  }()

  go func() {
    // 使用 sleep 模拟耗时
    time.Sleep(time.Second * 2)
    // 通知完成
    finish <- true
  }()

  // 防止 main 过早退出
  time.Sleep(time.Second * 5)
}

Context

场景
- 多层级的 goroutine 之间的信号传递

实现

package main

import (
  "context"
  "fmt"
  "time"
)

func foo(ctx context.Context) {

  go bar(ctx)
  for true {
    fmt.Println("hello 小下")

    select {
    case <-ctx.Done():
      fmt.Println("foo exit.....")
      return
    default:
      time.Sleep(time.Millisecond * 400)
    }
  }

}

func bar(ctx context.Context) {
  for true {
    fmt.Println("hello world")

    select {
    case <-ctx.Done():
      fmt.Println("bar exit.....")
      return
    default:
      time.Sleep(time.Millisecond * 600)
    }
  }

}
func main() {

  ctx, cancel := context.WithCancel(context.Background())

  go foo(ctx)

  // 防止过早发送退出信号
  time.Sleep(time.Second * 2)
  cancel()
  // 防止过早退出
  time.Sleep(time.Second * 5)

}