Go語言中Goroutine和協程有什么用

本篇內容介紹了“Go語言中Goroutine和協程有什么用”的有關知識，在實際案例的操作過程中，不少人都會遇到這樣的困境，接下來就讓小編帶領大家學習一下如何處理這些情況吧！希望大家仔細閱讀，能夠學有所成！

　　1.協程簡介

　　大家對于進程、線程都很熟悉，但協程就沒有火了，協程并不是Go語言特有的機制，相反像Lua、Ruby、Python、Kotlin、C/C++等也都有協程的支持，區別在于有的是從語言層面支持、有的通過插件類庫支持。Go語言是原生語言層面支持，本文也是從Go角度去理解協程。

　　1.1 協程基本概念和提出者

　　協程英文是Coroutine譯為協同程序“

　　協同程序是一種計算機程序組件，它允許暫停和恢復執行，從而可以作為通用化的非搶占式多任務處理子程序。

　　協同程序非常適合實現例如協作任務、異常、事件循環、迭代器、管道等熟悉的程序組件。

　　根據唐納德·克努特的說法，梅爾文·康威在1958年將Coroutine這個術語應用于裝配程序的構建，直到在1963年才首次發表了闡述Coroutine的論文。

　　1.2 協程和進線程的對比

　　我們來復習一下進線程和協程的一些基本特點吧:

　　進程是系統資源分配的最小單位, 進程包括文本段text region、數據段data region和堆棧段stack region等。進程的創建和銷毀都是系統資源級別的，因此是一種比較昂貴的操作，進程是搶占式調度其有三個狀態:等待態、就緒態、運行態。進程之間是相互隔離的，它們各自擁有自己的系統資源, 更加安全但是也存在進程間通信不便的問題。

　　進程是線程的載體容器，多個線程除了共享進程的資源還擁有自己的一少部分獨立的資源，因此相比進程而言更加輕量，進程內的多個線程間的通信比進程容易，但是也同樣帶來了同步和互斥的問題和線程安全問題，盡管如此多線程編程仍然是當前服務端編程的主流，線程也是CPU調度的最小單位，多線程運行時就存在線程切換問題，其狀態轉移如圖：

　　協程在有的資料中稱為微線程或者用戶態輕量級線程，協程調度不需要內核參與而是完全由用戶態程序來決定，因此協程對于系統而言是無感知的。協程由用戶態控制就不存在搶占式調度那樣強制的CPU控制權切換到其他進線程，多個協程進行協作式調度，協程自己主動把控制權轉讓出去之后，其他協程才能被執行到，這樣就避免了系統切換開銷提高了CPU的使用效率。

　　搶占式調度和協作式調度的簡單對比：

　　看到這里我們不免去想：看著協作式調度優點更多，那么為什么一直是搶占式調度占上風呢?讓我們繼續一起學習，可能就能解答這個問題了。

　　1.3 實際工作中的我們

　　我們寫程序的時經常需要考慮的因素就是提高機器使用率，這個非常好理解。當然機器使用率和開發效率維護成本往往存在權衡，說句大白話就是：要么費人力要么費機器，選一個吧!

　　機器成本里面最貴的就是CPU了，程序一般分為CPU密集型和IO密集型，對于CPU密集型我們的優化空間可能沒那么多，但對于IO密集型卻有非常大的優化空間，試想我們的程序總是處于IO等待中讓CPU呼呼睡大覺，那該多糟糕。

　　為了提高IO密集型程序的CPU使用率，我們嘗試多進程/多線程編程等讓多個任務一起跑分時復用搶占式調度，這樣提高了CPU的利用率，但由于多個進線程存在調度切換，這也有一定的資源消耗，因此進線程數量不可能無限增大。

　　我們現在寫的程序大部分都是同步IO的，效率還不夠高，因此出現了一些異步IO框架，但是異步框架的編程難度比同步框架要大，但不可否認異步是一個很好的優化方向，先不要暈，來看下同步IO和異步IO就知道了：

　　同步是指應用程序發起I/O請求后需要等待或者輪詢內核I/O操作完成后才能繼續執行，異步是指應用程序發起I/O請求后仍繼續執行，當內核I/O操作完成后會通知應用程序或者調用應用程序注冊的回調函數。

　　我們以C/C++開發的服務端程序為例，Linux的異步IO出現的比較晚，因此像epoll之類的IO復用技術仍然有相當大的地盤，但是同步IO的效率畢竟不如異步IO，因此當前的優化方向包括：異步IO框架(像boost.asio框架)和協程方案(騰訊libco)。

　　2.Go和協程

　　我們知道協程是Coroutine，Go語言在語言層面對協程進行了原生支持并且稱之為Goroutine，這也是Go語言強大并發能力的重要支撐，Go的CSP并發模型是通過Goroutine和channel來實現的，后續會專門寫一下CSP并發模型。

　　2.1 協作式調度和調度器

　　協作式調度中用戶態協程會主動讓出CPU控制權來讓其他協程使用，確實提高了CPU的使用率，但是不由得去思考用戶態協程不夠智能怎么辦?不知道何時讓出控制權也不知道何時恢復執行。

　　讀到這里忽然明白了搶占式調度的優勢了，在搶占式調度中都是由系統內核來完成的，用戶態不需要參與，并且內核參與使得平臺移植好，說到底還是各有千秋啊!

　　為了解決這個問題我們需要一個中間層來調度這些協程，這樣才能讓用戶態的成千上萬個協程穩定有序地跑起來，我們姑且把這個中間層稱為用戶態協程調度器吧!

　　2.2 Goroutine和Go的調度器模型

　　Go語言從2007年底開發直到今天已經發展了12年，Go的調度器也不是一蹴而就的，在最初的幾個版本中Go的調度器也非常簡陋，無法支撐大并發。

　　經過多個版本的迭代和優化，目前已經有很優異的性能了，不過我們還是來回顧一下Go調度器的發展歷程。

　　Go的調度器非常復雜，篇幅所限本文只提一些基本的概念和原理，后續會深入去展開Go的調度器。

　　最近幾個版本的Go調度器采用GPM模型，其中有幾個概念先看下：

　　GPM模型使用一種M:N的調度器來調度任意數量的協程運行于任意數量的系統線程中，從而保證了上下文切換的速度并且利用多核，但是增加了調度器的復雜度。

　　整個GPM調度的簡單過程如下：

　　新創建的Goroutine會先存放在Global全局隊列中，等待Go調度器進行調度，隨后Goroutine被分配給其中的一個邏輯處理器P，并放到這個邏輯處理器對應的Local本地運行隊列中，最終等待被邏輯處理器P執行即可。

　　在M與P綁定后，M會不斷從P的Local隊列中無鎖地取出G，并切換到G的堆棧執行，當P的Local隊列中沒有G時，再從Global隊列中獲取一個G，當Global隊列中也沒有待運行的G時，則嘗試從其它的P竊取部分G來執行相當于P之間的負載均衡。

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