Golang CSP並行機制及使用模型

2022-05-25 22:01:25

CSP並行模型

CSP模型是上個世紀七十年代提出的，用於描述兩個獨立的並行實體通過共用的通訊 channel(管道)進行通訊的並行模型。 CSP中channel是第一類物件，它不關注傳送訊息的實體，而關注與傳送訊息時使用的channel。

Golang CSP

Golang 就是借用CSP模型的一些概念為之實現並行進行理論支援，其實從實際上出發，go語言並沒有，完全實現了CSP模型的所有理論，僅僅是借用了 process和channel這兩個概念。process是在go語言上的表現就是 goroutine 是實際並行執行的實體，每個實體之間是通過channel通訊來實現資料共用。

Channel

Golang中使用 CSP中 channel 這個概念。channel 是被單獨建立並且可以在程序之間傳遞，它的通訊模式類似於 boss-worker 模式的，一個實體通過將訊息傳送到channel 中，然後又監聽這個 channel 的實體處理，兩個實體之間是匿名的，這個就實現實體中間的解耦，其中 channel 是同步的一個訊息被傳送到 channel 中，最終是一定要被另外的實體消費掉的，在實現原理上其實是一個阻塞的訊息佇列。

Goroutine

Goroutine 是實際並行執行的實體，它底層是使用協程(coroutine)實現並行，coroutine是一種執行在使用者態的使用者執行緒，類似於 greenthread，go底層選擇使用coroutine的出發點是因為，它具有以下特點：

使用者空間避免了核心態和使用者態的切換導致的成本
可以由語言和框架層進行排程
更小的棧空間允許建立大量的範例

可以看到第二條使用者空間執行緒的排程不是由作業系統來完成的，像在java 1.3中使用的greenthread的是由JVM統一排程的(後java已經改為核心執行緒)，還有在ruby中的fiber(半協程) 是需要在重新中自己進行排程的，而goroutine是在golang層面提供了排程器，並且對網路IO庫進行了封裝，遮蔽了複雜的細節，對外提供統一的語法關鍵字支援，簡化了並行程式編寫的成本。

Goroutine 排程器

上節已經說了，golang使用goroutine做為最小的執行單位，但是這個執行單位還是在使用者空間，實際上最後被處理器執行的還是核心中的執行緒，使用者執行緒和核心執行緒的排程方法有：

N:1 多個使用者執行緒對應一個核心執行緒

1:1 一個使用者執行緒對應一個核心執行緒

M:N 使用者執行緒和核心執行緒是多對多的對應關係

golang 通過為goroutine提供語言層面的排程器，來實現了高效率的M:N執行緒對應關係

排程示意

圖中

M：是核心執行緒
P : 是排程協調，用於協調M和G的執行，核心執行緒只有拿到了 P才能對goroutine繼續排程執行，一般都是通過限定P的個數來控制golang的並行度
G : 是待執行的goroutine，包含這個goroutine的棧空間
Gn : 灰色背景的Gn 是已經掛起的goroutine，它們被新增到了執行佇列中，然後需要等待網路IO的goroutine，當P通過 epoll查詢到特定的fd的時候，會重新排程起對應的，正在掛起的goroutine。

Golang為了排程的公平性，在排程器加入了steal working 演演算法，在一個P自己的執行佇列，處理完之後，它會先到全域性的執行佇列中偷G進行處理，如果沒有的話，再會到其他P的執行佇列中搶G來進行處理。

總結

Golang實現了 CSP 並行模型做為並行基礎，底層使用goroutine做為並行實體，goroutine非常輕量級可以建立幾十萬個實體。實體間通過 channel 繼續匿名訊息傳遞使之解耦，在語言層面實現了自動排程，這樣遮蔽了很多內部細節，對外提供簡單的語法關鍵字，大大簡化了並行程式設計的思維轉換和管理執行緒的複雜性。

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