说说Golang goroutine并发那些事儿

摘要：今天我们一起盘点一下Golang并发那些事儿。

Golang、Golang、Golang 真的够浪，今天我们一起盘点一下 Golang 并发那些事儿，准确来说是 goroutine ,关于多线程并发，咱们暂时先放一放(主要是俺现在还不太会，不敢出来瞎搞)。关于 golang 优点如何，咱们也不扯那些虚的。反正都是大佬在说，俺只是个吃瓜群众，偶尔打打酱油，逃～。

说到并发，等等一系列的概念就出来了，为了做个照顾一下自己的菜，顺便复习一下

基础概念

进程

进程的定义

进程（英语：process），是指计算机中已运行的 程序 。进程曾经是 ` `分时系统 的基本运作单位。在面向进程设计的系统（如早期的 UNIX ， Linux 2.4 及更早的版本）中，进程是程序的基本执行实体；在面向线程设计的系统（如当代多数操作系统、 Linux` 2.6及更新的版本）中，进程本身不是基本运行单位，而是 线程 的容器。

程序本身只是指令、数据及其组织形式的描述，相当于一个名词，进程才是程序（那些指令和数据）的真正运行实例，可以想像说是现在进行式。若干进程有可能与同一个程序相关系，且每个进程皆可以同步或 异步 的方式独立运行。现代 计算机系统 可在同一段时间内以进程的形式将多个程序加载到存储器中，并借由时间共享（或称 时分复用 ），以在一个 处理器 上表现出同时 平行性 运行的感觉。同样的，使用多线程技术（多线程即每一个线程都代表一个进程内的一个独立执行上下文）的操作系统或计算机体系结构，同样程序的 平行 线程，可在多CPU主机或网络上真正 同时 运行（在不同的CPU上）。

进程的创建

操作系统需要有一种方式来创建进程。

以下4种主要事件会创建进程

1. 系统初始化 （简单可理解为关机后的开机）
2. 正在运行的程序执行了创建进程的系统调用（例如：朋友发了一个网址，你点击后开启浏览器进入网页中）
3. 用户请求创建一个新进程（例如：打开一个程序，打开QQ、微信）
4. 一个批量作业的初始化

进程的终止

进程在创建后，开始运行与处理相关任务。但并不会永恒存在，终究会完成或退出。那么以下四种情况会发生进程的终止

1. 正常退出（自愿）
2. 错误退出（自愿）
3. 崩溃退出（非自愿）
4. 被其他杀死（非自愿）

正常退出：你退出浏览器，你点了一下它

错误退出：你此时正在津津有味的看着电视剧，突然程序内部发生bug，导致退出

崩溃退出：你程序崩溃了

被其他杀死：例如在windows上，使用任务管理器关闭进程

进程的状态

1. 运行态(实际占用CPU)
2. 就绪态(可运行、但其他进程正在运行而暂停)
3. 阻塞态(除非某种外部的时间发生，否则进程不能运行)

前两种状态在逻辑上是类似的。处于这两种状态的进程都可以运行，只是对于第二种状态暂时没有分配CPU，一旦分配到了CPU即可运行

第三种状态与前两种不同，处于该状态的进程不能运行，即是CPU空闲也不行。

如有兴趣，可进一步了解进程的实现、多进程设计模型

进程池

进程池技术的应用至少由以下两部分组成：

资源进程

预先创建好的空闲进程，管理进程会把工作分发到空闲进程来处理。

管理进程

管理进程负责创建资源进程，把工作交给空闲资源进程处理，回收已经处理完工作的资源进程。

资源进程跟管理进程的概念很好理解，管理进程如何有效的管理资源进程，分配任务给资源进程，回收空闲资源进程，管理进程要有效的管理资源进程，那么管理进程跟资源进程间必然需要交互，通过IPC，信号，信号量，消息队列，管道等进行交互。

进程池：准确来说它并不实际存在于我们的操作系统中，而是IPC，信号，信号量，消息队列，管道等对多进程进行管理，从而减少不断的开启、关闭等操作。以求达到减少不必要的资源损耗

线程

定义

线程（英语：thread）是 操作系统 能够进行运算 调度 的最小单位。大部分情况下，它被包含在 进程 之中，是 进程 中的实际运作单位。一条线程指的是 进程 中一个单一顺序的控制流，一个进程中可以并发多个线程，每条线程并行执行不同的任务。在 Unix System V 及 SunOS 中也被称为轻量进程（lightweight processes），但轻量进程更多指内核线程（kernel thread），而把用户线程（user thread）称为线程。

线程是独立调度和分派的基本单位。线程可以为操作系统内核调度的内核线程

同一进程中的多条线程将共享该进程中的全部系统资源，如虚拟地址空间， 文件描述符 和 信号处理 等等。但同一进程中的多个线程有各自的 调用栈 （call stack），自己的 寄存器环境 （register context），自己的线程本地存储（thread-local storage）。

一个进程可以有很多线程来处理，每条线程并行执行不同的任务。如果进程要完成的任务很多，这样需很多线程，也要调用很多核心，在多核或多 CPU ，或支持 Hyper-threading 的CPU上使用多线程程序设计的好处是显而易见的，即提高了程序的执行吞吐率。以人工作的样子想像，核心相当于人，人越多则能同时处理的事情越多，而线程相当于手，手越多则工作效率越高。在单CPU单核的计算机上，使用多线程技术，也可以把进程中负责I/O处理、人机交互而常被阻塞的部分与密集计算的部分分开来执行，编写专门的workhorse线程执行密集计算，虽然多任务比不上多核，但因为具备多线程的能力，从而提高了程序的执行效率。

线程池

线程池（英语：thread pool）：一种 线程 使用模式。线程过多会带来调度开销，进而影响缓存局部性和整体性能。而线程池维护着多个线程，等待着监督管理者分配可并发执行的任务。这避免了在处理短时间任务时创建与销毁线程的代价。线程池不仅能够保证内核的充分利用，还能防止过分调度。可用线程数量应该取决于可用的并发处理器、处理器内核、内存、网络sockets等的数量。 例如，线程数一般取cpu数量+2比较合适，线程数过多会导致额外的线程切换开销。

任务调度以执行线程的常见方法是使用同步队列，称作任务队列。池中的线程等待队列中的任务，并把执行完的任务放入完成队列中。

线程池模式一般分为两种：HS/HA半同步/半异步模式、L/F领导者与跟随者模式。

· 半同步/半异步模式又称为生产者消费者模式，是比较常见的实现方式，比较简单。分为同步层、队列层、异步层三层。同步层的主线程处理工作任务并存入工作队列，工作线程从工作队列取出任务进行处理，如果工作队列为空，则取不到任务的工作线程进入挂起状态。由于线程间有数据通信，因此不适于大数据量交换的场合。

· 领导者跟随者模式，在线程池中的线程可处在3种状态之一：领导者leader、追随者follower或工作者processor。任何时刻线程池只有一个领导者线程。事件到达时，领导者线程负责消息分离，并从处于追随者线程中选出一个来当继任领导者，然后将自身设置为工作者状态去处置该事件。处理完毕后工作者线程将自身的状态置为追随者。这一模式实现复杂，但避免了线程间交换任务数据，提高了CPU cache相似性。在 ACE (Adaptive Communication Environment)中，提供了领导者跟随者模式实现。

线程池的 伸缩性 对性能有较大的影响。

• 创建太多线程，将会浪费一定的资源，有些线程未被充分使用。
• 销毁太多线程，将导致之后浪费时间再次创建它们。
• 创建线程太慢，将会导致长时间的等待，性能变差。
• 销毁线程太慢，导致其它线程 资源 饥饿。

协程

协程，英文叫作 Coroutine，又称微线程、纤程，协程是一种用户态的轻量级线程。

协程拥有自己的寄存器上下文和栈。协程调度切换时，将寄存器上下文和栈保存到其他地方，在切回来的时候，恢复先前保存的寄存器上下文和栈。因此协程能保留上一次调用时的状态，即所有局部状态的一个特定组合，每次过程重入时，就相当于进入上一次调用的状态。

协程本质上是个单进程，协程相对于多进程来说，无需线程上下文切换的开销，无需原子操作锁定及同步的开销，编程模型也非常简单。

串行

多个任务，执行完毕后再执行另一个。

例如：吃完饭后散步(先坐下吃饭、吃完后去散步)

并行

多个任务、交替执行

例如：做饭，一会放水洗菜、一会吸收(菜比较脏，洗下菜写下手，傲娇～)

并发

共同出发

边吃饭、边看电视

阻塞与非阻塞

阻塞

阻塞状态指程序未得到所需计算资源时被挂起的状态。程序在等待某个操作完成期间，自身无法继续处理其他的事情，则称该程序在该操作上是阻塞的。

常见的阻塞形式有：网络 I/O 阻塞、磁盘 I/O 阻塞、用户输入阻塞等。阻塞是无处不在的，包括 CPU 切换上下文时，所有的进程都无法真正处理事情，它们也会被阻塞。如果是多核 CPU 则正在执行上下文切换操作的核不可被利用。

非阻塞

程序在等待某操作过程中，自身不被阻塞，可以继续处理其他的事情，则称该程序在该操作上是非阻塞的。

非阻塞并不是在任何程序级别、任何情况下都可以存在的。仅当程序封装的级别可以囊括独立的子程序单元时，它才可能存在非阻塞状态。

非阻塞的存在是因为阻塞存在，正因为某个操作阻塞导致的耗时与效率低下，我们才要把它变成非阻塞的。

同步与异步

同步

不同程序单元为了完成某个任务，在执行过程中需靠某种通信方式以协调一致，我们称这些程序单元是同步执行的。

例如购物系统中更新商品库存，需要用“行锁”作为通信信号，让不同的更新请求强制排队顺序执行，那更新库存的操作是同步的。

简言之，同步意味着有序。

异步

为完成某个任务，不同程序单元之间过程中无需通信协调，也能完成任务的方式，不相关的程序单元之间可以是异步的。

例如，爬虫下载网页。调度程序调用下载程序后，即可调度其他任务，而无需与该下载任务保持通信以协调行为。不同网页的下载、保存等操作都是无关的，也无需相互通知协调。这些异步操作的完成时刻并不确定。

可异步与不可异步

经过以上了解，又是进程、又是线程、等等一系列的东西，那是真的难受。不过相信你已经有个初步的概率，那么这里我们将更加深入的去了解 可异步 与 不可异步 。

在此之前先总结一下，以上各种演进的路线，其实加速无非就是一句话，提高效率。（废话～）

那么提高效率的是两大因素，增加投入以求增加产出、尽可能避免不必要的损耗（例如：减少上下文切换等等）。

如何区分它是可异步代码还是不可异步呢，其实很简单那就是，它是否能够自主完成不需要我们参与的部分。

我们从结果反向思考，

例如我们发送一个网络请求，这之间拥有网络I/O阻塞，那么测试我们将它挂起、转而去做其他事情，等他响应了，我们在进行此阶段的下一步的操作。那么这个是可异步的

另外：写作业与上洗手间，我此时正在写着作业，突然，我想上洗手间了，走。上完洗手间后又回来继续写作业，在我去洗手间这段时间作业是不会有任何进展，所以我们可以理解为这是非异步

goroutine

东扯一句，西扯一句，终于该上真家伙了，废话不多说。

如何实现只需定义很多个任务，让系统去帮助我们把这些任务分配到CPU上实现并发执行。

Go语言中的 goroutine 就是这样一种机制， goroutine 的概念类似于线程，但 goroutine 是由Go的运行时（runtime）调度和管理的。Go程序会智能地将 goroutine 中的任务合理地分配给每个CPU。Go语言之所以被称为现代化的编程语言，就是因为它在语言层面已经内置了调度和上下文切换的机制。

在Go语言编程中你不需要去自己写进程、线程、协程，你的技能包里只有一个技能– goroutine ，当你需要让某个任务并发执行的时候，你只需要把这个任务包装成一个函数，开启一个 goroutine 去执行这个函数就可以了

goroutine与线程

可增长的栈

OS线程（操作系统线程）一般都有固定的栈内存（通常为2MB）,一个 goroutine 的栈在其生命周期开始时只有很小的栈（典型情况下2KB）， goroutine 的栈不是固定的，他可以按需增大和缩小， goroutine 的栈大小限制可以达到1GB，虽然极少会用到这么大。所以在Go语言中一次创建十万左右的 goroutine 也是可以的。

goroutine模型

GPM 是Go语言运行时（runtime）层面的实现，是go语言自己实现的一套调度系统。区别于操作系统调度OS线程。

· G 很好理解，就是个goroutine的，里面除了存放本goroutine信息外 还有与所在P的绑定等信息。

· P 管理着一组goroutine队列，P里面会存储当前goroutine运行的上下文环境（函数指针，堆栈地址及地址边界），P会对自己管理的goroutine队列做一些调度（比如把占用CPU时间较长的goroutine暂停、运行后续的goroutine等等）当自己的队列消费完了就去全局队列里取，如果全局队列里也消费完了会去其他P的队列里抢任务。

· M `（ machine ）`是Go运行时（runtime）对操作系统内核线程的虚拟， M与内核线程一般是一一映射的关系， 一个groutine最终是要放到M上执行的；

P与M一般也是一一对应的。他们关系是： P管理着一组G挂载在M上运行。当一个G长久阻塞在一个M上时，runtime会新建一个M，阻塞G所在的P会把其他的G 挂载在新建的M上。当旧的G阻塞完成或者认为其已经死掉时 回收旧的M。

P的个数是通过 runtime.GOMAXPROCS 设定（最大256），Go1.5版本之后默认为物理线程数。 在并发量大的时候会增加一些P和M，但不会太多，切换太频繁的话得不偿失。

单从线程调度讲，Go语言相比起其他语言的优势在于OS线程是由OS内核来调度的， goroutine 则是由Go运行时（runtime）自己的调度器调度的，这个调度器使用一个称为m:n调度的技术（复用/调度m个goroutine到n个OS线程）。 其一大特点是goroutine的调度是在用户态下完成的， 不涉及内核态与用户态之间的频繁切换，包括内存的分配与释放，都是在用户态维护着一块大的内存池， 不直接调用系统的malloc函数（除非内存池需要改变），成本比调度OS线程低很多。 另一方面充分利用了多核的硬件资源，近似的把若干goroutine均分在物理线程上， 再加上本身goroutine的超轻量，以上种种保证了go调度方面的性能。

GOMAXPROCS

Go运行时的调度器使用 GOMAXPROCS 参数来确定需要使用多少个OS线程来同时执行Go代码。默认值是机器上的CPU核心数。例如在一个8核心的机器上，调度器会把Go代码同时调度到8个OS线程上（GOMAXPROCS是m:n调度中的n）。

Go语言中可以通过 runtime.GOMAXPROCS() 函数设置当前程序并发时占用的CPU逻辑核心数。

Go1.5版本之前，默认使用的是单核心执行。Go1.5版本之后，默认使用全部的CPU逻辑核心数。

goroutine的创建

使用 goroutine 非常简单，只需要在调用函数的时在函数名前面加上 go 关键字，就可以为一个函数创建一个 goroutine 。

一个 goroutine 必定对应一个函数，当然也可以创建多个 goroutine 去执行相同的函数。

语法如下

如果你此时兴致勃勃的想立马试试，我只想和你说，“少侠，请稍等～”，我话还没说完。以上我只说了如何创建 goroutine ，可没说这样就是这样用的。嘻嘻～

首先我们先看看不用 goroutine 的代码，示例如下

输入结果如下

那么我们来使用 goroutine ，运行

示例代码如下：

输出如下

乍一看，好家伙速度提升了简直不是一个量级啊，秒啊～

仔细看你会发现，7,9 跑去哪儿呢？不见了，盯～

谜底在下一篇揭晓～

期待下一篇，盘点Golang并发那些事儿之二， goroutine 并发控制得心应手

本文分享自华为云社区《盘点Golang并发那些事儿之一》，原文作者：PayneWu。

点击关注，第一时间了解华为云新鲜技术~