Goroutine介绍

Goroutine介绍

1.定义

在java/c++中我们要实现并发编程的时候，我们通常需要自己维护一个线程池，并且需要自己去包装一个又一个的任务，同时需要自己去调度线程执行任务并维护上下文切换，这一切通常会耗费程序员大量的心智。那么能不能有一种机制，程序员只需要定义很多个任务，让系统去帮助我们把这些任务分配到CPU上实现并发执行呢？

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，就是这么简单粗暴。

2.使用

2.1 使用goroutine

Go语言中使用goroutine非常简单，只需要在调用函数的时候在前面加上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，可以创建多个goroutine去执行相同的函数。

注意goroutine 执行的函数没有返回值，因此要想通过函数给某些变量赋值，可以传指针参数。

2.2 启动单个goroutine

启动goroutine的方式非常简单，只需要在调用的函数（普通函数和匿名函数）前面加上一个go关键字。

这个示例中hello函数和下面的语句是串行的，执行的结果是打印完Hello Goroutine!后打印main goroutine done!。

接下来我们在调用hello函数前面加上关键字go，也就是启动一个goroutine去执行hello这个函数。

func main() {
    go hello() // 启动另外一个goroutine去执行hello函数
    fmt.Println("main goroutine done!")
}

这一次的执行结果只打印了main goroutine done!，并没有打印Hello Goroutine!。为什么呢？

在程序启动时，Go程序就会为main()函数创建一个默认的goroutine。

当main()函数返回的时候该goroutine就结束了，所有在main()函数中启动的goroutine会一同结束，main函数所在的goroutine就像是权利的游戏中的夜王，其他的goroutine都是异鬼，夜王一死它转化的那些异鬼也就全部GG了。

所以我们要想办法让main函数等一等hello函数，最简单粗暴的方式就是time.Sleep了。

func main() {
    go hello() // 启动另外一个goroutine去执行hello函数
    fmt.Println("main goroutine done!")
    time.Sleep(time.Second)
}

执行上面的代码你会发现，这一次先打印main goroutine done!，然后紧接着打印Hello Goroutine!。

首先为什么会先打印main goroutine done!是因为我们在创建新的goroutine的时候需要花费一些时间，而此时main函数所在的goroutine是继续执行的。

2.3 启动多个goroutine

在Go语言中实现并发就是这样简单，我们还可以启动多个goroutine。让我们再来一个例子： （这里使用了sync.WaitGroup来实现goroutine的同步）

var wg sync.WaitGroup

func hello(i int) {
    defer wg.Done() // goroutine结束就登记-1
    fmt.Println("Hello Goroutine!", i)
}
func main() {

    for i := 0; i < 10; i++ {
        wg.Add(1) // 启动一个goroutine就登记+1
        go hello(i)
    }
    wg.Wait() // 等待所有登记的goroutine都结束
}

多次执行上面的代码，会发现每次打印的数字的顺序都不一致。这是因为10个goroutine是并发执行的，而goroutine的调度是随机的。

3.GMP模型

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): go中管理协程的数据结构
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：

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。

3.1 队列轮转

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会周期性地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会周期性地查看全局队列，也是为了防止全局队列中的G被饿死。

3.2 系统调用

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：

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。
常见的像文件io操作会调用系统调用，进入阻塞状态。

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，根据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。

3.3 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：

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。

4.runtime 的其他函数

4.1 GOMAXPROCS()

GOMAXPROCS(n int)函数可以设置程序在运行中所使用的CPU数，Go语言程序默认会使用最大CPU数进行计算。

// GOMAXPROCS sets the maximum number of CPUs that can be executing
// simultaneously and returns the previous setting. It defaults to
// the value of runtime.NumCPU. If n < 1, it does not change the current setting.
// This call will go away when the scheduler improves.
func GOMAXPROCS(n int) int

GOMAXPROCS()设置可同时执行的最大CPU数，并返回先前的设置。若n ＜ 1，它就不会更改当前设置。本地机器的逻辑CPU数可通过NumCPU查询。

package main

import (
    "fmt"
    "runtime"
    "time"
)

func main() {
    n := runtime.GOMAXPROCS(1)
    fmt.Println("先前的CPU核数设置为: ", n)

    last := time.Now()
    for i := 0; i < 100000; i++ {
        go func() {
            // 耗时任务
            a := 999999 ^ 9999999
            a = a + 1
        }()
    }

    now := time.Now()
    fmt.Println(now.Sub(last))
}

运行结果如下：

当改为12核进行计算时，效率得到了显著的提升，运行结果如下：

4.2 Goexit()

// Goexit terminates the goroutine that calls it. No other goroutine is affected.
// Goexit runs all deferred calls before terminating the goroutine. Because Goexit
// is not a panic, any recover calls in those deferred functions will return nil.
//
// Calling Goexit from the main goroutine terminates that goroutine
// without func main returning. Since func main has not returned,
// the program continues execution of other goroutines.
// If all other goroutines exit, the program crashes.
func Goexit()

Goexit()终止调用它的Go协程，但其他Go协程不会受影响。Goexit()会在终止该Go协程前执行所有defer的函数。

如下示例：

package main

import (
    "fmt"
    "runtime"
    "time"
)

func Task1() {
    defer fmt.Println("task1 stop")
    fmt.Println("task1 start")
    fmt.Println("task1 work")
}

func Task2() {
    defer fmt.Println("task2 stop")
    fmt.Println("task2 start")
    runtime.Goexit() // 效果和return一样
    fmt.Println("task2 work")
}

func main() {
    go Task1()
    go Task2()
    time.Sleep(time.Second * 5)
}

5.参考文章

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