Go語言中並行的工作原理

2022-07-16 14:01:46

一、Go語言中Goroutine的基本原理

Go語言裡的並行指的是能讓某個函數獨立於其他函數執行的能力。

Go語言的goroutine是一個獨立的工作單元，

Go 語言的並行同步模型來自一個叫作交談循序程式（Communicating Sequential Processes，CSP）的範型（paradigm）。

CSP 是一種訊息傳遞模型，通過在goroutine 之間傳遞資料來傳遞訊息，而不是對資料進行加鎖來實現同步存取。訊息的傳遞通過Go語言中的Channel（通道）來實現。

程序(process) 看作一個包含了應用程式在執行中需要用到和維護的各種資源的容器。

執行緒(Thread)是一個執行空間，這個空間會被作業系統排程來執行函數中所寫的程式碼。

每個程序至少包含一個執行緒，每個程序的初始執行緒被稱作主執行緒。因為執行這個執行緒的空間是應用程式的本身的空間，所以當主執行緒終止時，應用程式也會終止。

下圖就是程序和執行緒的簡要關係。

補充：控制程式碼是什麼？

我的理解控制程式碼就是給使用者操作核心資源的指標，指向指標的指標。【把手】和【門】的關係，使用們把手能轉動整個門（系統資源）

作業系統會在物理處理器上排程執行緒來執行，而Go 語言的執行時會在邏輯處理器上排程goroutine來執行。每個邏輯處理器都分別繫結到單個作業系統執行緒。下面我們就來簡單描述一下goroutine執行的流程。

首先來了解一下作業系統執行緒、邏輯處理器和本地執行佇列

全域性執行佇列：剛建立的goruntine會被安排到這裡面，通過一些排程演演算法，分配給邏輯處理器

作業系統執行緒：這個就是傳統意義上的執行緒，用於具體goroutine的執行，他會和一個邏輯器進行繫結

邏輯處理器：裡面維護著一個原生的佇列，用於本地佇列裡面goroutine的排程

本地執行佇列：裝載著待執行的goruntine

支撐整個排程器的主要有4個重要結構，分別是M、G、P、Sched，前三個定義在runtime.h中，Sched定義在proc.c中。

Sched結構就是排程器，它維護有儲存M和G的佇列以及排程器的一些狀態資訊等。
M代表核心級執行緒，一個M就是一個執行緒，goroutine就是跑在M之上的；M是一個很大的結構，裡面維護小物件記憶體cache（mcache）、當前執行的goroutine、亂數發生器等等非常多的資訊。
P全稱是Processor，處理器，它的主要用途就是用來執行goroutine的，所以它也維護了一個goroutine佇列，裡面儲存了所有需要它來執行的goroutine，這個P的角色可能有一點讓人迷惑，一開始容易和M衝突，後面重點聊一下它們的關係。
G就是goroutine實現的核心結構了，G維護了goroutine需要的棧、程式計數器以及它所在的M等資訊。

整個過程描述：

當建立一個Goroutine的時候，先放到全域性佇列當中，然後會把這個Goroutine分配到一個邏輯處理器的本地佇列中，這個邏輯處理器會繫結一個作業系統執行緒，由這個執行緒去執行Goroutine的程式碼。

生動描述：

地鼠(gopher)用小車運著一堆待加工的磚。M就可以看作圖中的地鼠，P就是小車，G就是小車裡裝的磚。一圖勝千言啊，弄清楚了它們三者的關係，下面我們就開始重點聊地鼠是如何在搬運磚塊的。

1.runqget, 地鼠(M)試圖從自己的小車(P)取出一塊磚(G)，當然結果可能失敗，也就是這個地鼠的小車已經空了，沒有磚了。

2.findrunnable, 如果地鼠自己的小車中沒有磚，那也不能閒著不幹活是吧，所以地鼠就會試圖跑去工場倉庫取一塊磚來處理；工場倉庫也可能沒磚啊，出現這種情況的時候，這個地鼠也沒有偷懶停下幹活，而是悄悄跑出去，隨機盯上一個小夥伴(地鼠)，然後從它的車裡試圖偷一半磚到自己車裡。如果多次嘗試偷磚都失敗了，那說明實在沒有磚可搬了，這個時候地鼠就會把小車還回停車場，然後睡覺休息了。如果地鼠睡覺了，下面的過程當然都停止了，地鼠睡覺也就是執行緒sleep了。

3.wakep, 到這個過程的時候，可憐的地鼠發現自己小車裡有好多磚啊，自己根本處理不過來；再回頭一看停車場居然有閒置的小車，立馬跑到宿舍一看，你妹，居然還有小夥伴在睡覺，直接給屁股一腳，“你妹，居然還在睡覺，老子都快累死了，趕緊起來幹活，分擔點工作。”，小夥伴醒了，拿上自己的小車，乖乖幹活去了。有時候，可憐的地鼠跑到宿舍卻發現沒有在睡覺的小夥伴，於是會很失望，最後只好向工場老闆說——”停車場還有閒置的車啊，我快乾不動了，趕緊從別的工場借個地鼠來幫忙吧。”，最後工場老闆就搞來一個新的地鼠幹活了。

4.execute，地鼠拿著磚放入火種歡快的燒練起來。

注： “地鼠偷磚”叫work stealing，一種排程演演算法。

到這裡，貌似整個工場都正常的運轉起來了，無懈可擊的樣子。不對，還有一個疑點沒解決啊，假設地鼠的車裡有很多磚，它把一塊磚放入火爐中後，何時把它取出來，放入第二塊磚呢？難道要一直把第一塊磚燒練好，才取出來嗎？那估計後面的磚真的是等得花兒都要謝了。這裡就是要真正解決goroutine的排程，上下文切換問題。

goroutine的阻塞

當一個OS執行緒M0陷入阻塞時（如下圖)，P轉而在執行M1，圖中的M1可能是正被建立，或者從執行緒快取中取出。

簡單解釋就是，噹噹前的Goroutine在阻塞，就把他和當前執行緒繫結，讓當前的執行緒繼續執行這個Goroutine（就是等待），其他的goroutine隨著邏輯處理器被繫結到另一個執行緒上，繼續執行。

當阻塞的執行緒返回時，它必須嘗試取得一個邏輯處理器來執行goroutine，一般情況下，它會從其他的OS執行緒那裡拿一個P過來，如果沒有拿到的話，它就把goroutine放在一個全域性執行佇列裡，然後自己睡眠（放入執行緒快取裡）。所有的P也會週期性的檢查global runqueue並執行其中的goroutine，否則global runqueue上的goroutine永遠無法執行。

還有就像下面的圖片，左邊的執行緒一個滿載狀態，一個沒有goroutine，此時的做法就是會進行重新分配，就想右側圖展示