golang学习笔记（协程的基础知识）

news2024/11/25 16:43:57

golang的协程

协程是一种轻量级的线程，它可以实现并发执行的并行操作。协程是Go语言中的一个核心特性，它使得程序能够以并发的方式运行，并且非常高效。与传统的线程相比，协程的创建和销毁成本非常低，可以方便地启动大量的协程来执行并行操作。

Golang的协程不同于其他语言中的线程或进程，它们是由Go语言的运行时系统调度的。协程的调度是基于协作式的，即协程自己主动让出CPU的控制权，而不是依赖于操作系统的调度器。

线程池的缺陷

在高并发应用中频繁创建线程会造成不必要的开销，所以有了线程池。线程池中预先保存一定数量的线程，而新任务将不再以创建线程的方式去执行，而是将任务发布到任务队列，线程池中的线程不断的从任务队列中取出任务并执行，可以有效的减少线程创建和销毁所带来的开销。下图是一个简单的线程池的案例：
在这里插入图片描述
我们把任务队列中的每一个任务称作G，而G往往代表一个函数。线程池中的线程worker线程不断的从任务队列中取出任务并执行。而worker线程的调度则交给操作系统进行调度。

如果worker线程执行的G任务中发生系统调用，则操作系统会将该线程置为阻塞状态，也意味着该线程在怠工，也意味着消费任务队列的worker线程变少了，也就是说线程池消费任务队列的能力变弱了。如果任务队列中的大部分任务都会进行系统调用，则会让这种状态恶化，大部分worker线程进入阻塞状态，从而任务队列中的任务产生堆积。

解决这个问题的一个思路就是重新审视线程池中线程的数量，增加线程池中线程数量可以一定程度上提高消费能力，但随着线程数量增多，由于过多线程争抢CPU，消费能力会有上限，甚至出现消费能力下降。如下图所示：
在这里插入图片描述

Goroutine调度器

线程数过多，意味着操作系统会不断的切换线程，频繁的上下文切换就成了性能瓶颈。 Go提供一种机制，可以在线程中自己实现调度，上下文切换更轻量，从而达到了线程数少，而并发数并不少的效果。而线程中调度的就是Goroutine。
Goroutine主要概念：

G（ Goroutine） : 即Go协程，每个go关键字都会创建一个协程。
M（ Machine）：工作线程，在Go中称为Machine。
P(Processor): 处理器（ Go中定义的一个摡念，不是指CPU），包含运行Go代码的必要资源，也有调度goroutine的能力
M必须拥有P才可以执行G中的代码， P含有一个包含多个G的队列， P可以调度G交由M执行。其关系如下图所示：

图中M是交给操作系统调度的线程， M持有一个P， P将G调度进M中执行。 P同时还维护着一个包含G的队列（图中灰色部分），可以按照一定的策略将不能的G调度进M中执行。

P的个数在程序启动时决定，默认情况下等同于CPU的核数，由于M必须持有一个P才可以运行Go代码，所以同时运行的M个数，也即线程数一般等同于CPU的个数，以达到尽可能的使用CPU而又不至于产生过多的线程切换开销。

Goroutine调度策略

队列轮转

上图中可见每个P维护着一个包含G的队列，不考虑G进入系统调用或IO操作的情况下， P周期性的将G调度到M中执行，执行一小段时间，将上下文保存下来，然后将G放到队列尾部，然后从队列中重新取出一个G进行调度。

除了每个P维护的G队列以外，还有一个全局的队列，每个P会周期性的查看全局队列中是否有G待运行并将其调度到M中执行，全局队列中G的来源，主要有从系统调用中恢复的G。之所以P会周期性的查看全局队列，也是为了防止全局队列中的G被饿死。

系统调用

上面说到P的个数默认等于CPU核数，每个M必须持有一个P才可以执行G，一般情况下M的个数会略大于P的个数，这多出来的M将会在G产生系统调用时发挥作用。类似线程池， Go也提供一个M的池子，需要时从池子中获取，用完放回池子，不够用时就再创建一个。

当M运行的某个G产生系统调用时，如下图所示：
在这里插入图片描述
如图所示，当G0即将进入系统调用时， M0将释放P，进而某个空闲的M1获取P，继续执行P队列中剩下的G。而M0由于陷入系统调用而进被阻塞， M1接替M0的工作，只要P不空闲，就可以保证充分利用CPU。

M1的来源有可能是M的缓存池，也可能是新建的。当G0系统调用结束后，跟据M0是否能获取到P，将会将G0做不同的处理：

如果有空闲的P，则获取一个P，继续执行G0。
如果没有空闲的P，则将G0放入全局队列，等待被其他的P调度。然后M0将进入缓存池睡眠

工作量窃取

多个P中维护的G队列有可能是不均衡的，比如下图：
在这里插入图片描述
竖线左侧中右边的P已经将G全部执行完，然后去查询全局队列，全局队列中也没有G，而另一个M中除了正在运行的G外，队列中还有3个G待运行。此时，空闲的P会将其他P中的G偷取一部分过来，一般每次偷取一半。偷取完如右图所示。

抢占式调度

goroutine设计之初为协作式调度，用户负责在各个goroutine之间协作式执行任务。协作式调度意味着希望协程自己会主动让出执行权，用户在加锁，读写通道时会主动让出执行权。

垃圾回收器是需要stop the world的。如果垃圾回收器想要运行了，那么它必须先通知其它的goroutine合作停下来，这会造成较长时间的等待时间。考虑一种很极端的情况，所有的goroutine都停下来了，只有其中一个没有停，那么垃圾回收就会一直等待着没有停的那一个。

抢占式调度可以解决这种问题，在抢占式情况下，如果一个goroutine运行时间过长，它就会被剥夺运行权。

Golang协程的用法

在Go语言中，要创建一个协程，只需在函数调用前加上关键字"go"。下面是一个简单的示例：

go 函数名()

这样就创建了一个新的协程，并在该协程中执行相应的函数。协程会与主线程并发执行，不会阻塞主线程的执行。

协程之间可以通过通道（Channel）进行通信。通道是一种在多个协程之间同步和传递数据的机制，它能够保证并发安全。通过通道，协程可以发送和接收数据，实现协程之间的协作。

package main

import (
	"fmt"
	"time"
)

func longRunningTask() (res int) {
	time.Sleep(time.Second)
	for i := 0; i < 10; i++ {
		res += i
	}
	return res
}

func main() {
	result := make(chan int)

	go func() {
		result <- longRunningTask()
	}()

	fmt.Println("Waiting for result...")
	fmt.Println("Result:", <-result)
}