Go并發(fā)原理
Golang
Go語言是為并發(fā)而生的語言，是為數(shù)不多的在語言層面實現(xiàn)并發(fā)的語言风科；也正是Go語言的并發(fā)特性潘靖，吸引了全球無數(shù)的開發(fā)者。
并發(fā)(concurrency)和并行(parallelism)
并發(fā)(concurrency)：指兩個或兩個以上的任務在一段時間內(nèi)被執(zhí)行超埋。我們不必關心這些任務在某一個時間點是否是同時執(zhí)行搏讶，可能同時執(zhí)行，也可能不是霍殴，我們只關心在一段時間內(nèi)媒惕，哪怕是很短的時間（一秒或者兩秒）是否解決了兩個或兩個以上的任務。
并行(parallelism)：指兩個或兩個以上的任務在同一時刻被同時執(zhí)行来庭。
并發(fā)說的是邏輯上的概念妒蔚，而并行強調(diào)的是物理運行狀態(tài)。并發(fā)“包含”并行月弛。
詳情請見：Rob Pike 的PPT
Go的CSP并發(fā)模型
Go實現(xiàn)了兩種并發(fā)形式肴盏。第一種是大家普遍認知的：多線程共享內(nèi)存。其實就是Java或者C++等語言中的多線程開發(fā)帽衙。另外一種是Go語言特有的菜皂，也是Go語言推薦的：CSP（Communicating Sequential Processes）并發(fā)模型。
CSP并發(fā)模型是在1970年左右提出的概念厉萝，屬于比較新的概念恍飘，不同于傳統(tǒng)的多線程通過共享內(nèi)存來通信，CSP講究的是“以通信的方式來共享內(nèi)存”谴垫。
請記住下面這句話：
Do not communicate by sharing memory; instead, share memory by communicating. “不要以共享內(nèi)存的方式來通信常侣，相反，要通過通信來共享內(nèi)存弹渔。”
普通的線程并發(fā)模型溯祸，比如Java肢专、C++、或者Python焦辅，線程間通信都是通過共享內(nèi)存的方式來進行的博杖。非常典型的方式就是在訪問共享數(shù)據(jù)（例如數(shù)組、Map筷登、或者某個結構體或對象）的時候剃根，通過鎖來訪問。因此前方，很多時候狈醉，衍生出一種方便操作的數(shù)據(jù)結構，叫做“線程安全的數(shù)據(jù)結構”惠险。例如Java提供的包”java.util.concurrent”中的數(shù)據(jù)結構苗傅。Go中也實現(xiàn)了傳統(tǒng)的線程并發(fā)模型。
Go的CSP并發(fā)模型班巩，是通過goroutine和channel來實現(xiàn)的渣慕。
goroutine 是Go語言中并發(fā)的執(zhí)行單位。有點抽象，其實就是和傳統(tǒng)概念上的“線程”類似逊桦，可以理解為“線程”眨猎。 channel是Go語言中各個并發(fā)結構體(goroutine)之間的通信機制。 通俗的講强经，就是各個goroutine之間通信的“管道”睡陪，有點類似于Linux中的管道。
生成一個goroutine的方式非常的簡單：Go一下夕凝，就生成了宝穗。
go
`go f();`
通信機制channel也很方便，傳數(shù)據(jù)用channel <- data码秉，取數(shù)據(jù)用<-channel逮矛。
在通信過程中，傳數(shù)據(jù)channel <- data和取數(shù)據(jù)<-channel必然會成對出現(xiàn)转砖，因為這邊傳须鼎，那邊取，兩個goroutine之間才會實現(xiàn)通信府蔗。
而且不管傳還是取晋控，必阻塞，直到另外的goroutine傳或者取為止姓赤。
示例圖解：
- 有兩個goroutine赡译，其中一個發(fā)起了向channel中傳值操作。（goroutine為矩形不铆，channel為箭頭）
- 左邊的goroutine開始阻塞蝌焚，等待有人接收。這時候誓斥，右邊的goroutine發(fā)起了接收操作只洒。
- 兩邊goroutine都發(fā)現(xiàn)了對方，于是兩個goroutine開始一傳劳坑、一收毕谴。
這便是Golang CSP并發(fā)模型最基本的形式。
Go并發(fā)模型的實現(xiàn)原理
我們先從線程講起距芬，無論語言層面何種并發(fā)模型涝开，到了操作系統(tǒng)層面，一定是以線程的形態(tài)存在的蔑穴。而操作系統(tǒng)根據(jù)資源訪問權限的不同忠寻，體系架構可分為用戶空間和內(nèi)核空間；內(nèi)核空間主要操作訪問CPU資源存和、I/O資源奕剃、內(nèi)存資源等硬件資源衷旅，為上層應用程序提供最基本的基礎資源，用戶空間則是上層應用程序的固定活動空間纵朋。用戶空間不可以直接訪問資源柿顶，必須通過“系統(tǒng)調(diào)用”、“庫函數(shù)”或“Shell腳本”來調(diào)用內(nèi)核空間提供的資源操软。
我們現(xiàn)在的計算機語言嘁锯，可以狹義的認為是一種“軟件”，它們中所謂的“線程”聂薪，往往是用戶態(tài)的線程家乘，和操作系統(tǒng)本身內(nèi)核態(tài)的線程（簡稱KSE），還是有區(qū)別的藏澳。
線程模型的實現(xiàn)仁锯，可以分為以下幾種方式：
用戶級線程模型
如圖所示，多個用戶態(tài)的線程對應著一個內(nèi)核線程翔悠，程序線程的創(chuàng)建业崖、終止、切換或者同步等線程工作必須自身來完成蓄愁。
內(nèi)核級線程模型
這種模型直接調(diào)用操作系統(tǒng)的內(nèi)核線程双炕，所有線程的創(chuàng)建、終止撮抓、切換妇斤、同步等操作，都由內(nèi)核來完成丹拯。C++就是這種趟济。
兩級線程模型
這種模型是介于用戶級線程模型和內(nèi)核級線程模型之間的一種線程模型。這種模型的實現(xiàn)非常復雜咽笼，和內(nèi)核級線程模型類似，一個進程中可以對應多個內(nèi)核級線程戚炫，但是進程中的線程不和內(nèi)核線程一一對應剑刑；這種線程模型會先創(chuàng)建多個內(nèi)核級線程，然后用自身的用戶級線程去對應創(chuàng)建的多個內(nèi)核級線程双肤，自身的用戶級線程需要本身程序去調(diào)度施掏，內(nèi)核級的線程交給操作系統(tǒng)內(nèi)核去調(diào)度。
Go語言的線程模型就是一種特殊的兩級線程模型茅糜。暫且叫它“MPG”模型吧七芭。
Go線程實現(xiàn)模型MPG
M指的是Machine，一個M直接關聯(lián)了一個內(nèi)核線程蔑赘。 P指的是Processor狸驳，代表了M所需的上下文環(huán)境预明，也是處理用戶級代碼邏輯的處理器。 G指的是Goroutine耙箍，其實本質(zhì)上也是一種輕量級的線程撰糠。
三者關系如下圖所示：
以上這個圖講的是兩個線程(內(nèi)核線程)的情況。一個M會對應一個內(nèi)核線程辩昆，一個M也會連接一個上下文P阅酪，一個上下文P相當于一個“處理器”，一個上下文連接一個或者多個Goroutine汁针。P(Processor)的數(shù)量是在啟動時被設置為環(huán)境變量GOMAXPROCS的值术辐，或者通過運行時調(diào)用函數(shù)runtime.GOMAXPROCS()進行設置。Processor數(shù)量固定意味著任意時刻只有固定數(shù)量的線程在運行go代碼施无。Goroutine中就是我們要執(zhí)行并發(fā)的代碼辉词。圖中P正在執(zhí)行的Goroutine為藍色的；處于待執(zhí)行狀態(tài)的Goroutine為灰色的帆精，灰色的Goroutine形成了一個隊列runqueues较屿。
三者關系的宏觀的圖為：
拋棄P(Processor)
你可能會想，為什么一定需要一個上下文卓练，我們能不能直接除去上下文隘蝎，讓Goroutine的runqueues掛到M上呢？答案是不行襟企，需要上下文的目的嘱么，是讓我們可以直接放開其他線程，當遇到內(nèi)核線程阻塞的時候顽悼。
一個很簡單的例子就是系統(tǒng)調(diào)用syscall曼振，一個線程肯定不能同時執(zhí)行代碼和系統(tǒng)調(diào)用被阻塞，這個時候蔚龙，此線程M需要放棄當前的上下文環(huán)境P冰评，以便可以讓其他的Goroutine被調(diào)度執(zhí)行。
如上圖左圖所示木羹，M0中的G0執(zhí)行了syscall甲雅，然后就創(chuàng)建了一個M1(也有可能本身就存在，沒創(chuàng)建)坑填，（轉向右圖）然后M0丟棄了P抛人，等待syscall的返回值，M1接受了P脐瑰，將繼續(xù)執(zhí)行Goroutine隊列中的其他Goroutine妖枚。
當系統(tǒng)調(diào)用syscall結束后，M0會“偷”一個上下文苍在，如果不成功绝页，M0就把它的Goroutine G0放到一個全局的runqueue中荠商，然后自己放到線程池或者轉入休眠狀態(tài)。全局runqueue是各個P在運行完自己的本地的Goroutine runqueue后用來拉取新goroutine的地方抒寂。P也會周期性地檢查這個全局runqueue上的goroutine结啼，否則，全局runqueue上的goroutines可能得不到執(zhí)行而餓死屈芜。
均衡的分配工作
按照以上的說法郊愧，上下文P會定期地檢查全局的goroutine隊列中的goroutine，以便自己在消費掉自身Goroutine隊列的時候有事可做井佑。假如全局goroutine隊列中的goroutine也沒了呢属铁？就從其他運行的中的P的runqueue里偷。
每個P中的Goroutine不同導致它們運行的效率和時間也不同躬翁。在一個有很多P和M的環(huán)境中焦蘑，不能讓一個P跑完自身的Goroutine就沒事可做了，因為或許其他的P有很長的goroutine隊列要跑盒发，得需要均衡例嘱。
示例圖解：
Go的做法倒也直接，從其他P中偷一半宁舰！
參考文獻
- The Go scheduler
- 《Go并發(fā)編程第一版》
通過以上對Go語言并發(fā)原理的詳細解析拼卵，相信你對Go語言在并發(fā)處理上的強大功能有了更深刻的理解。在實際開發(fā)中蛮艰，合理使用Go語言的并發(fā)特性腋腮，可以顯著提高程序的執(zhí)行效率和資源利用率。
