go語言的攜程的原理 go語言協(xié)程原理

【golang詳解】go語言GMP(GPM)原理和調(diào)度

Goroutine調(diào)度是一個(gè)很復(fù)雜的機(jī)制，下面嘗試用簡單的語言描述一下Goroutine調(diào)度機(jī)制，想要對其有更深入的了解可以去研讀一下源碼。

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首先介紹一下GMP什么意思：

G ----------- goroutine: 即Go協(xié)程，每個(gè)go關(guān)鍵字都會(huì)創(chuàng)建一個(gè)協(xié)程。

M ---------- thread內(nèi)核級線程，所有的G都要放在M上才能運(yùn)行。

P ----------- processor處理器，調(diào)度G到M上，其維護(hù)了一個(gè)隊(duì)列，存儲了所有需要它來調(diào)度的G。

Goroutine 調(diào)度器P和 OS 調(diào)度器是通過 M 結(jié)合起來的，每個(gè) M 都代表了 1 個(gè)內(nèi)核線程，OS 調(diào)度器負(fù)責(zé)把內(nèi)核線程分配到 CPU 的核上執(zhí)行

模型圖：

避免頻繁的創(chuàng)建、銷毀線程，而是對線程的復(fù)用。

1）work stealing機(jī)制

當(dāng)本線程無可運(yùn)行的G時(shí)，嘗試從其他線程綁定的P偷取G，而不是銷毀線程。

2）hand off機(jī)制

當(dāng)本線程M0因?yàn)镚0進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)用阻塞時(shí)，線程釋放綁定的P，把P轉(zhuǎn)移給其他空閑的線程執(zhí)行。進(jìn)而某個(gè)空閑的M1獲取P，繼續(xù)執(zhí)行P隊(duì)列中剩下的G。而M0由于陷入系統(tǒng)調(diào)用而進(jìn)被阻塞，M1接替M0的工作，只要P不空閑，就可以保證充分利用CPU。M1的來源有可能是M的緩存池，也可能是新建的。當(dāng)G0系統(tǒng)調(diào)用結(jié)束后，根據(jù)M0是否能獲取到P，將會(huì)將G0做不同的處理：

如果有空閑的P，則獲取一個(gè)P，繼續(xù)執(zhí)行G0。

如果沒有空閑的P，則將G0放入全局隊(duì)列，等待被其他的P調(diào)度。然后M0將進(jìn)入緩存池睡眠。

如下圖

GOMAXPROCS設(shè)置P的數(shù)量，最多有GOMAXPROCS個(gè)線程分布在多個(gè)CPU上同時(shí)運(yùn)行

在Go中一個(gè)goroutine最多占用CPU 10ms，防止其他goroutine被餓死。

具體可以去看另一篇文章

【Golang詳解】go語言調(diào)度機(jī)制搶占式調(diào)度

當(dāng)創(chuàng)建一個(gè)新的G之后優(yōu)先加入本地隊(duì)列，如果本地隊(duì)列滿了，會(huì)將本地隊(duì)列的G移動(dòng)到全局隊(duì)列里面，當(dāng)M執(zhí)行work stealing從其他P偷不到G時(shí)，它可以從全局G隊(duì)列獲取G。

協(xié)程經(jīng)歷過程

我們創(chuàng)建一個(gè)協(xié)程 go func()經(jīng)歷過程如下圖：

說明：

這里有兩個(gè)存儲G的隊(duì)列，一個(gè)是局部調(diào)度器P的本地隊(duì)列、一個(gè)是全局G隊(duì)列。新創(chuàng)建的G會(huì)先保存在P的本地隊(duì)列中，如果P的本地隊(duì)列已經(jīng)滿了就會(huì)保存在全局的隊(duì)列中；處理器本地隊(duì)列是一個(gè)使用數(shù)組構(gòu)成的環(huán)形鏈表，它最多可以存儲 256 個(gè)待執(zhí)行任務(wù)。

G只能運(yùn)行在M中，一個(gè)M必須持有一個(gè)P，M與P是1：1的關(guān)系。M會(huì)從P的本地隊(duì)列彈出一個(gè)可執(zhí)行狀態(tài)的G來執(zhí)行，如果P的本地隊(duì)列為空，就會(huì)想其他的MP組合偷取一個(gè)可執(zhí)行的G來執(zhí)行；

一個(gè)M調(diào)度G執(zhí)行的過程是一個(gè)循環(huán)機(jī)制；會(huì)一直從本地隊(duì)列或全局隊(duì)列中獲取G

上面說到P的個(gè)數(shù)默認(rèn)等于CPU核數(shù)，每個(gè)M必須持有一個(gè)P才可以執(zhí)行G，一般情況下M的個(gè)數(shù)會(huì)略大于P的個(gè)數(shù)，這多出來的M將會(huì)在G產(chǎn)生系統(tǒng)調(diào)用時(shí)發(fā)揮作用。類似線程池，Go也提供一個(gè)M的池子，需要時(shí)從池子中獲取，用完放回池子，不夠用時(shí)就再創(chuàng)建一個(gè)。

work-stealing調(diào)度算法：當(dāng)M執(zhí)行完了當(dāng)前P的本地隊(duì)列隊(duì)列里的所有G后，P也不會(huì)就這么在那躺尸啥都不干，它會(huì)先嘗試從全局隊(duì)列隊(duì)列尋找G來執(zhí)行，如果全局隊(duì)列為空，它會(huì)隨機(jī)挑選另外一個(gè)P，從它的隊(duì)列里中拿走一半的G到自己的隊(duì)列中執(zhí)行。

如果一切正常，調(diào)度器會(huì)以上述的那種方式順暢地運(yùn)行，但這個(gè)世界沒這么美好，總有意外發(fā)生，以下分析goroutine在兩種例外情況下的行為。

Go runtime會(huì)在下面的goroutine被阻塞的情況下運(yùn)行另外一個(gè)goroutine：

用戶態(tài)阻塞/喚醒

當(dāng)goroutine因?yàn)閏hannel操作或者network I/O而阻塞時(shí)（實(shí)際上golang已經(jīng)用netpoller實(shí)現(xiàn)了goroutine網(wǎng)絡(luò)I/O阻塞不會(huì)導(dǎo)致M被阻塞，僅阻塞G，這里僅僅是舉個(gè)栗子），對應(yīng)的G會(huì)被放置到某個(gè)wait隊(duì)列(如channel的waitq)，該G的狀態(tài)由_Gruning變?yōu)開Gwaitting，而M會(huì)跳過該G嘗試獲取并執(zhí)行下一個(gè)G，如果此時(shí)沒有可運(yùn)行的G供M運(yùn)行，那么M將解綁P，并進(jìn)入sleep狀態(tài)；當(dāng)阻塞的G被另一端的G2喚醒時(shí)（比如channel的可讀/寫通知），G被標(biāo)記為，嘗試加入G2所在P的runnext（runnext是線程下一個(gè)需要執(zhí)行的 Goroutine。），然后再是P的本地隊(duì)列和全局隊(duì)列。

系統(tǒng)調(diào)用阻塞

當(dāng)M執(zhí)行某一個(gè)G時(shí)候如果發(fā)生了阻塞操作，M會(huì)阻塞，如果當(dāng)前有一些G在執(zhí)行，調(diào)度器會(huì)把這個(gè)線程M從P中摘除，然后再創(chuàng)建一個(gè)新的操作系統(tǒng)的線程(如果有空閑的線程可用就復(fù)用空閑線程)來服務(wù)于這個(gè)P。當(dāng)M系統(tǒng)調(diào)用結(jié)束時(shí)候，這個(gè)G會(huì)嘗試獲取一個(gè)空閑的P執(zhí)行，并放入到這個(gè)P的本地隊(duì)列。如果獲取不到P，那么這個(gè)線程M變成休眠狀態(tài)，加入到空閑線程中，然后這個(gè)G會(huì)被放入全局隊(duì)列中。

隊(duì)列輪轉(zhuǎn)

可見每個(gè)P維護(hù)著一個(gè)包含G的隊(duì)列，不考慮G進(jìn)入系統(tǒng)調(diào)用或IO操作的情況下，P周期性的將G調(diào)度到M中執(zhí)行，執(zhí)行一小段時(shí)間，將上下文保存下來，然后將G放到隊(duì)列尾部，然后從隊(duì)列中重新取出一個(gè)G進(jìn)行調(diào)度。

除了每個(gè)P維護(hù)的G隊(duì)列以外，還有一個(gè)全局的隊(duì)列，每個(gè)P會(huì)周期性地查看全局隊(duì)列中是否有G待運(yùn)行并將其調(diào)度到M中執(zhí)行，全局隊(duì)列中G的來源，主要有從系統(tǒng)調(diào)用中恢復(fù)的G。之所以P會(huì)周期性地查看全局隊(duì)列，也是為了防止全局隊(duì)列中的G被餓死。

M0是啟動(dòng)程序后的編號為0的主線程，這個(gè)M對應(yīng)的實(shí)例會(huì)在全局變量rutime.m0中，不需要在heap上分配，M0負(fù)責(zé)執(zhí)行初始化操作和啟動(dòng)第一個(gè)G，在之后M0就和其他的M一樣了

G0是每次啟動(dòng)一個(gè)M都會(huì)第一個(gè)創(chuàng)建的goroutine，G0僅用于負(fù)責(zé)調(diào)度G，G0不指向任何可執(zhí)行的函數(shù)，每個(gè)M都會(huì)有一個(gè)自己的G0，在調(diào)度或系統(tǒng)調(diào)用時(shí)會(huì)使用G0的?？臻g，全局變量的G0是M0的G0

一個(gè)G由于調(diào)度被中斷，此后如何恢復(fù)？

中斷的時(shí)候?qū)⒓拇嫫骼锏臈Ｐ畔?，保存到自己的G對象里面。當(dāng)再次輪到自己執(zhí)行時(shí)，將自己保存的棧信息復(fù)制到寄存器里面，這樣就接著上次之后運(yùn)行了。

我這里只是根據(jù)自己的理解進(jìn)行了簡單的介紹，想要詳細(xì)了解有關(guān)GMP的底層原理可以去看Go調(diào)度器 G-P-M 模型的設(shè)計(jì)者的文檔或直接看源碼

參考： ()

()

協(xié)程與異步IO

協(xié)程，又稱微線程，纖程。英文名 Coroutine 。Python對協(xié)程的支持是通過 generator 實(shí)現(xiàn)的。在generator中，我們不但可以通過for循環(huán)來迭代，還可以不斷調(diào)用 next()函數(shù) 獲取由 yield 語句返回的下一個(gè)值。但是Python的yield不但可以返回一個(gè)值，它還可以接收調(diào)用者發(fā)出的參數(shù)。yield其實(shí)是終端當(dāng)前的函數(shù)，返回給調(diào)用方。python3中使用yield來實(shí)現(xiàn)range，節(jié)省內(nèi)存，提高性能，懶加載的模式。

asyncio是Python 3.4 版本引入的標(biāo)準(zhǔn)庫，直接內(nèi)置了對異步IO的支持。

從Python 3.5 開始引入了新的語法 async 和 await ，用來簡化yield的語法：

import asyncio

import threading

async def compute(x, y):

print("Compute %s + %s ..." % (x, y))

print(threading.current_thread().name)

await asyncio.sleep(x + y)

return x + y

async def print_sum(x, y):

result = await compute(x, y)

print("%s + %s = %s" % (x, y, result))

print(threading.current_thread().name)

if __name__ == "__main__":

loop = asyncio.get_event_loop()

tasks = [print_sum(1, 2), print_sum(3, 4)]

loop.run_until_complete(asyncio.wait(tasks))

loop.close()

線程是內(nèi)核進(jìn)行搶占式的調(diào)度的，這樣就確保了每個(gè)線程都有執(zhí)行的機(jī)會(huì)。而 coroutine 運(yùn)行在同一個(gè)線程中，由語言的運(yùn)行時(shí)中的 EventLoop（事件循環(huán)）來進(jìn)行調(diào)度。和大多數(shù)語言一樣，在 Python 中，協(xié)程的調(diào)度是非搶占式的，也就是說一個(gè)協(xié)程必須主動(dòng)讓出執(zhí)行機(jī)會(huì)，其他協(xié)程才有機(jī)會(huì)運(yùn)行。

讓出執(zhí)行的關(guān)鍵字就是 await。也就是說一個(gè)協(xié)程如果阻塞了，持續(xù)不讓出 CPU，那么整個(gè)線程就卡住了，沒有任何并發(fā)。

PS: 作為服務(wù)端，event loop最核心的就是IO多路復(fù)用技術(shù)，所有來自客戶端的請求都由IO多路復(fù)用函數(shù)來處理;作為客戶端，event loop的核心在于利用Future對象延遲執(zhí)行，并使用send函數(shù)激發(fā)協(xié)程,掛起,等待服務(wù)端處理完成返回后再調(diào)用CallBack函數(shù)繼續(xù)下面的流程

Go語言的協(xié)程是語言本身特性，erlang和golang都是采用了CSP(Communicating Sequential Processes)模式(Python中的協(xié)程是eventloop模型)，但是erlang是基于進(jìn)程的消息通信，go是基于goroutine和channel的通信。

Python和Go都引入了消息調(diào)度系統(tǒng)模型，來避免鎖的影響和進(jìn)程/線程開銷大的問題。

協(xié)程從本質(zhì)上來說是一種用戶態(tài)的線程，不需要系統(tǒng)來執(zhí)行搶占式調(diào)度，而是在語言層面實(shí)現(xiàn)線程的調(diào)度。因?yàn)閰f(xié)程不再使用共享內(nèi)存/數(shù)據(jù) ，而是使用通信來共享內(nèi)存/鎖，因?yàn)樵谝粋€(gè)超級大系統(tǒng)里具有無數(shù)的鎖，共享變量等等會(huì)使得整個(gè)系統(tǒng)變得無比的臃腫，而通過消息機(jī)制來交流，可以使得每個(gè)并發(fā)的單元都成為一個(gè)獨(dú)立的個(gè)體，擁有自己的變量，單元之間變量并不共享，對于單元的輸入輸出只有消息。開發(fā)者只需要關(guān)心在一個(gè)并發(fā)單元的輸入與輸出的影響，而不需要再考慮類似于修改共享內(nèi)存/數(shù)據(jù)對其它程序的影響。

Golang 線程和協(xié)程的區(qū)別

線程：

多線程是為了解決CPU利用率的問題，線程則是為了減少上下文切換時(shí)的開銷，進(jìn)程和線程在Linux中沒有本質(zhì)區(qū)別，最大的不同就是進(jìn)程有自己獨(dú)立的內(nèi)存空間，而線程是共享內(nèi)存空間。

在進(jìn)程切換時(shí)需要轉(zhuǎn)換內(nèi)存地址空間，而線程切換沒有這個(gè)動(dòng)作，所以線程切換比進(jìn)程切換代價(jià)要小得多。

協(xié)程：

想要簡單，又要性能高，協(xié)程就可以達(dá)到我們的目的，它是用戶視角的一種抽象，操作系統(tǒng)并沒有這個(gè)概念，主要思想是在用戶態(tài)實(shí)現(xiàn)調(diào)度算法，用少量線程完成大量任務(wù)的調(diào)度。

Goroutine是GO語言實(shí)現(xiàn)的協(xié)程，其特點(diǎn)是在語言層面就支持，使用起來十分方便，它的核心是MPG調(diào)度模型：M即內(nèi)核線程;P即處理器，用來執(zhí)行Goroutine，它維護(hù)了本地可運(yùn)行隊(duì)列;G即Goroutine，代碼和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu);S及調(diào)度器，維護(hù)M和P的信息。

網(wǎng)站欄目：go語言的攜程的原理 go語言協(xié)程原理
網(wǎng)頁地址：http://www.bm7419.com/article28/ddcshcp.html

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