深入理解 Golang: Goroutine 协程

进程用来分配内存空间，是操作系统分配资源的最小单位；线程用来分配 CPU 时间，多个线程共享内存空间，是操作系统或 CPU 调度的最小单位；协程用来精细利用线程。协程就是将一段程序的运行状态打包，可以在线程之间调度。或者说将一段生产流程打包，使流程不固定在生产线上。协程不是被操作系统内核所管理，而完全是由程序所控制。

Go 中协程的本质

协程在 Go 内部的表示如下：

type g struct {stack        stack   // 协程栈sched        gobuf   // 目前程序运行现场atomicstatus atomic.Uint32 // 协程状态goid         uint64 // 协程 id// 。。。省略一些其他属性}type stack struct {lo uintptrhi uintptr
}type gobuf struct {sp   uintptr // 栈指针，指向当前协程运行到哪个地方pc   uintptr // 程序计数器，记录运行到了哪行代码g    guintptrctxt unsafe.Pointerret  uintptrlr   uintptrbp   uintptr // for framepointer-enabled architectures
}

在这里插入图片描述

而线程的描述为一个 m 结构体：

type m struct {g0      *g     // goroutine with scheduling stackcurg    *g     // current running goroutinemOS// 。。。省略一些其他属性
}

runtime 中将操作系统线程抽象为 m 结构体
g0 协程，操作调度器
curg 记录当前运行的协程
mOS 记录操作系统线程信息

单线程循环 Go 0.x
首先进入 g0 stack，执行 schedule() 方法，在 schedule 方法中调用 execute() 方法，execute 中再调用 gogo() 方法，gogo 方法为汇编语言编写，针对不同平台提供不同处理方法，接着通过 gogo 方法，从全局队列 runnable queue 中获取任务协程 g，进入到用户自定义的业务方法中。此时使用业务协程 g 自己的栈记录调用、跳转关系、本地变量等信息。

业务逻辑方法执行完成后会回退到 goexit() 的栈帧，goexit 会进行栈的切换，切换到 g0 stack，继续执行 schedule 方法链，不停地将 runnable queue 中的业务方法协程 g 取出执行。

多线程循环 Go 1.0
在单线程的基础上，多个线程的标准调度循环同时从 runnable queue 中取出协程 g 执行。注意，为保证协程安全，runnable queue 需要加锁。

存在的问题

协程串行执行，无法并发，会有阻塞现象。
多线程并发时，会抢夺全局队列的全局锁。

G-M-P 调度模型

前面说到，多线程从全局队列中取协程出来执行时，需要对这个队列加锁，如果每个线程 m 每次获取锁后，只从中取一个 g，则会造成很大开销，存在极大的性能问题。一个朴素的思想就是，每次取多个，将这些协程维护在一个自己的本地队列 p 中，本地队列中的全部 g 执行完后，再去全局队列抓取一堆。
在这里插入图片描述
这个本地队列 p 在 Go 中的表示如下：

type p struct {// 指向服务的线程m           muintptr   // back-link to associated m (nil if idle)// Queue of runnable goroutines. Accessed without lock.runqhead uint32runqtail uint32// 队列，存放 grunq     [256]guintptr// 下一个可用协程指针runnext guintptr// 。。。省略其他属性
}

P 作为 M 与 G 的中介，承担’送料’的作用。
P 持有一些 G，使得每次获取 G 不用去全局找。
P 大大减少了并发冲突状况。

新建协程
创建一个新协程时，会随机查找一个 P，将该协程放到 P 的 runnext(优先执行)，如果本地队列已经满了，则将新协程放到全局队列。

协程阻塞-触发切换
P 中本地队列里存在长耗时任务时，会阻塞后续协程，造成饥饿现象，一种做法是内部调用 runtime.gopark() 方法，让当前大任务进入等待状态，回到 execute() 继续执行后续操作。另外也可以完成系统调时后挂起或主动挂起，这里的主动的含义是用户自己的方法去触发 runtime.gopark()。
在这里插入图片描述
在极端情况下，本地队列中的协程全部为耗时任务，则会造成全局队列 runnable queue 饥饿问题，那么此时需要同时调度本地队列和全局队列：

runtime 中的具体做法是：

func findRunnable() (gp *g, inheritTime, tryWakeP bool) {// 。。。// Check the global runnable queue once in a while to ensure fairness.// Otherwise two goroutines can completely occupy the local runqueue// by constantly respawning each other.if pp.schedtick%61 == 0 && sched.runqsize > 0 {lock(&sched.lock)gp := globrunqget(pp, 1)unlock(&sched.lock)if gp != nil {return gp, false, false}}// 。。。
}