【go语言学习】并发概念

2024-03-20 10:20:58

一、并发性Concurrency

1、多任务

多任务是操作系统可以同时执行多个任务。如，可以一边听音乐，一边刷微博，一边聊QQ，还能同时开微信。这就是多任务同时运行。

2、线程process与进程thread、协程coroutine

进程是一个程序在一个数据集中的一次动态执行过程，可以简单理解为“正在执行的程序”，它是CPU资源分配和调度的独立单位。

线程是操作系统能够进行运算调度的最小单位。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。

简单来说：

进程：指在系统中正在运行的一个应用程序；程序一旦运行就是进程；进程——资源分配的最小单位。
线程：系统分配处理器时间资源的基本单元，或者说进程之内独立执行的一个单元执行流。线程——程序执行的最小单位。

进程的局限是创建、撤销和切换的开销比较大。
线程的优点是减小了程序并发执行时的开销，提高了操作系统的并发性能，缺点是线程没有自己的系统资源，只拥有在运行时必不可少的资源，但同一进程的各线程可以共享进程所拥有的系统资源。

操作系统的设计，因此可以归结为三点：

（1）以多进程形式，允许多个任务同时运行；
（2）以多线程形式，允许单个任务分成不同的部分运行；
（3）提供协调机制，一方面防止进程之间和线程之间产生冲突，另一方面允许进程之间和线程之间共享资源。

协程coroutine是一种用户态的轻量级线程，又称微线程，协程的调度完全由用户控制。人们通常将协程和子程序（函数）比较着理解。子程序调用总是一个入口，一次返回，一旦退出即完成了子程序的执行。

与传统的系统级线程和进程相比，协程的最大优势在于其"轻量级"，可以轻松创建上百万个而不会导致系统资源衰竭，而线程和进程通常最多也不能超过1万的。这也是协程也叫轻量级线程的原因。

Go语言对于并发的实现是靠协程，coroutine

3、并行与并发

并行与并发（Concurrency and Parallelism）是两个不同的概念，理解它们对于理解多线程模型非常重要。
在描述程序的并发或者并行时，应该说明从进程或者线程的角度出发。

并发：一个时间段内有很多的线程或进程在执行，但任何时间点上都只有一个在执行，多个线程或进程争抢时间片轮流执行
并行：一个时间段和时间点上都有多个线程或进程在执行

并行需要硬件支持，单核处理器只能是并发，多核处理器才能做到并行执行。

并发是并行的必要条件，如果一个程序本身就不是并发的，也就是只有一个逻辑执行顺序，那么我们不可能让其被并行处理。
并发不是并行的充分条件，一个并发的程序，如果只被一个CPU进行处理(通过分时)，那么它就不是并行的。

举例：
如果我们在浏览web页面时，下载文件和呈现页面是周期交替执行的，这就是并发。
如果是运行在多核CPU上，下载文件和呈现页面可能同时在不同的内核中运行。这就是所谓的并行性。

并行性Parallelism不会总是导致更快的执行时间，因为并行运行的组件可能需要相互通信，这种通信开销很高，因此，并行程序并不总是导致更快的执行时间!

二、几种不同的多线程模型

线程的实现可以分为两类：

用户级线程(User-LevelThread, ULT)：用户线程由用户代码支持。
内核级线程(Kemel-LevelThread, KLT)：内核线程由操作系统内核支持。

多线程模型：
多线程模型即用户级线程和内核级线程的不同连接方式。

1、【用户级线程模型】多对一模型（M : 1）

将多个用户级线程映射到一个内核级线程，线程管理在用户空间完成。此模式中，用户级线程对操作系统不可见（即透明）。

优点：这种模型的好处是线程上下文切换都发生在用户空间，避免的模态切换（mode switch），从而对于性能有积极的影响。

缺点：所有的线程基于一个内核调度实体即内核线程，这意味着只有一个处理器可以被利用，在多处理器环境下这是不能够被接受的，本质上，用户线程只解决了并发问题，但是没有解决并行问题。如果线程因为 I/O 操作陷入了内核态，内核态线程阻塞等待 I/O 数据，则所有的线程都将会被阻塞，用户空间也可以使用非阻塞而 I/O，但是不能避免性能及复杂度问题。

2、【内核级线程模型】一对一模型（1 : 1）

将每个用户级线程映射到一个内核级线程。

每个线程由内核调度器独立的调度，所以如果一个线程阻塞则不影响其他的线程。

优点：在多核处理器的硬件的支持下，内核空间线程模型支持了真正的并行，当一个线程被阻塞后，允许另一个线程继续执行，所以并发能力较强。

缺点：每创建一个用户级线程都需要创建一个内核级线程与其对应，这样创建线程的开销比较大，会影响到应用程序的性能。

3、【两级线程模型】多对多模型（M : N）

内核线程和用户线程的数量比为 M : N，内核用户空间综合了前两种的优点。

这种模型需要内核线程调度器和用户空间线程调度器相互操作，本质上是多个线程被绑定到了多个内核线程上，这使得大部分的线程上下文切换都发生在用户空间，而多个内核线程又可以充分利用处理器资源。

三、goroutine机制的调度实现

goroutine机制实现了M : N的线程模型，goroutine机制是协程（coroutine）的一种实现，golang内置的调度器，可以让多核CPU中每个CPU执行一个协程。

理解goroutine机制的原理，关键是理解Go语言调度器scheduler的实现。

1、调度器是如何工作的

Go语言中支撑整个scheduler实现的主要有4个重要结构，分别是M、G、P、Sched，前三个定义在runtime.h中，Sched定义在proc.c中。

Sched是调度器，它维护有存储M和G的队列以及调度器的一些状态信息等。

M是Machine，系统线程，它由操作系统管理的，goroutine就是跑在M之上的；M是一个很大的结构，里面维护小对象内存cache（mcache）、当前执行的goroutine、随机数发生器等等非常多的信息。M的作用就是执行G中包装的并发任务。Go运行时系统中的调度器的主要职责就是将G公平合理的安排到多个M上去执行。

P是Processor，逻辑处理器，它的主要用途就是用来执行goroutine的，它维护了一个goroutine队列，即runqueue，并为G在M上的运行提供本地化资源。。Processor是让我们从N:1调度到M:N调度的重要部分。

G是goroutine，用go关键字加函数调用的代码就是创建了一个G对象，是对一个要并发执行的任务的封装，也可以称作用户态线程。属于用户级资源，对OS透明，具备轻量级，可以大量创建，上下文切换成本低等特点。

Processor的数量是在启动时被设置为环境变量GOMAXPROCS的值，或者通过运行时调用函数GOMAXPROCS()进行设置。Processor数量固定意味着任意时刻只有GOMAXPROCS个线程在运行go代码。

我们分别用三角形，矩形和圆形表示Machine Processor和Goroutine。

在单核处理器的场景下，所有goroutine运行在同一个M系统线程中，每一个M系统线程维护一个Processor，任何时刻，一个Processor中只有一个goroutine，其他goroutine在runqueue中等待。一个goroutine运行完自己的时间片后，让出上下文，回到runqueue中。多核处理器的场景下，为了运行goroutines，每个M系统线程会持有一个Processor。