《Go語言四十二章經》第二十一章 協程(goroutine)
《Go語言四十二章經》第二十一章 協程(goroutine)
作者：李驍
Concurrency is about dealing with lots of things at once. Parallelism is about doing lots of things at once.
併發： 指的是程式的邏輯結構。如果程式程式碼結構中的某些函式邏輯上可以同時執行，但物理上未必會同時執行。 並行： 並行是指程式的執行狀態。並行則指的就是在物理層面也就是使用了不同CPU在執行不同或者相同的任務。
21.1 併發
併發是在同一時間處理（dealing with）多件事情。並行是在同一時間做（doing）多件事情。併發的目的在於把當個 CPU 的利用率使用到最高。並行則需要多核 CPU 的支援。
Go 語言從語言層面上就支援了併發，goroutine是Go語言提供的一種使用者態執行緒，有時我們也稱之為協程。所謂的協程，某種程度上也可以叫做輕量執行緒，它不由os，而由應用程式建立和管理，因此使用開銷較低（一般為4K）。我們可以建立很多的goroutine，並且它們跑在同一個核心執行緒之上的時候，就需要一個排程器來維護這些goroutine，確保所有的goroutine都使用cpu，並且是儘可能公平的使用cpu資源。排程器的主要有4個重要部分，分別是M、G、P、Sched，前三個定義在runtime.h中，Sched定義在proc.c中。
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M (work thread) 代表了系統執行緒OS Thread，由作業系統管理。
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P (processor)銜接M和G的排程上下文，它負責將等待執行的G與M對接。P的數量可以通過GOMAXPROCS()來設定，它其實也就代表了真正的併發度，即有多少個goroutine可以同時執行。
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G (goroutine)goroutine的實體，包括了呼叫棧，重要的排程資訊，例如channel等。
在作業系統的OS Thread和程式語言的User Thread之間，實際上存在3中執行緒對應模型，也就是：1:1，1:N，M:N。
N:1 多個（N）使用者執行緒始終在一個核心執行緒上跑，context上下文切換很快，但是無法真正的利用多核。 1:1 一個使用者執行緒就只在一個核心執行緒上跑，這時可以利用多核，但是上下文切換很慢，切換效率很低。 M:N 多個goroutine在多個核心執行緒上跑，這個可以集齊上面兩者的優勢，但是無疑增加了排程的難度。
M:N 綜合兩種方式（N:1，1:1）的優勢。多個 goroutines 可以在多個 OS threads 上處理。既能快速切換上下文，也能利用多核的優勢，而Go正是選擇這種實現方式。
Go 的goroutine是執行在虛擬CPU中的(通過runtime.GOMAXPROCS(1)所設定的虛擬CPU個數)。 虛擬CPU個數未必會和實際CPU個數相吻合。
每個goroutine都會被一個特定的P(虛擬CPU)選定維護，而M(物理計算資源)每次挑選一個有效P，然後執行P中的goroutine。
每個P會將自己所維護的goroutine放到一個G佇列中，其中就包括了goroutine堆疊資訊，是否可執行資訊等等。
預設情況下，P的數量與實際物理CPU的數量相等。當我們通過迴圈來建立goroutine時，goroutine會被分配到不同的G佇列中。 而M的數量又不是唯一的，當M隨機挑選P時，也就等同隨機挑選了goroutine。
所以，當我們碰到多個goroutine的執行順序不是我們想象的順序時就可以理解了，因為goroutine進入P管理的佇列G是帶有隨機性的。
P的數量由runtime.GOMAXPROCS(1)所設定，通常來說它是和核心數對應，例如在4Core的伺服器上會啟動4個執行緒。G會有很多個，每個P會將goroutine從一個就緒的佇列中做Pop操作，為了減小鎖的競爭，通常情況下每個P會負責一個佇列。
runtime.NumCPU()// 返回當前CPU核心數 runtime.GOMAXPROCS(2)// 設定執行時最大可執行CPU數 runtime.NumGoroutine() // 當前正在執行的goroutine 數
P維護著這個佇列（稱之為runqueue），Go語言裡，啟動一個goroutine很容易：go function 就行，所以每有一個go語句被執行，runqueue佇列就在其末尾加入一個goroutine，在下一個排程點，就從runqueue中取出一個goroutine執行。
假如有兩個M，即兩個OS Thread執行緒，分別對應一個P，每一個P排程一個G佇列。如此一來，就組成的goroutine執行時的基本結構：
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當有一個M返回時，它必須嘗試取得一個P來執行goroutine，一般情況下，它會從其他的OS Thread執行緒那裡竊取一個P過來，如果沒有拿到，它就把goroutine放在一個global runqueue裡，然後自己進入執行緒快取裡。
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如果某個P所分配的任務G很快就執行完了，這會導致多個佇列存在不平衡，會從其他佇列中擷取一部分goroutine到P上進行排程。一般來說，如果P從其他的P那裡要取任務的話，一般就取run queue的一半，這就確保了每個OS執行緒都能充分的使用。
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當一個OS Thread執行緒被阻塞時，P可以轉而投奔另一個OS執行緒。
下面是G、 M、 P的具體結構，這不是Go程式碼：
structG
{
uintptr stackguard0;// 用於棧保護，但可以設定為StackPreempt，用於實現搶佔式排程
uintptr stackbase;// 棧頂
Gobufsched;// 執行上下文，G的暫停執行和恢復執行，都依靠它
uintptr stackguard; // 跟stackguard0一樣，但它不會被設定為StackPreempt
uintptr stack0;// 棧底
uintptr stacksize;// 棧的大小
int16status;// G的六個狀態
int64goid;// G的標識id
int8*waitreason; // 當status==Gwaiting有用，等待的原因，可能是呼叫time.Sleep之類
G*schedlink;// 指向連結串列的下一個G
uintptr gopc;// 建立此goroutine的Go語句的程式計數器PC，通過PC可以獲得具體的函式和程式碼行數
};
struct P
{
Lock;// plan9 C的擴充套件語法，相當於Lock lock;
int32id;// P的標識id
uint32status;// P的四個狀態
P*link;// 指向連結串列的下一個P
M*m;// 它當前繫結的M，Pidle狀態下，該值為nil
MCache* mcache; // 記憶體池
// Grunnable狀態的G佇列
uint32runqhead;
uint32runqtail;
G*runq[256];
// Gdead狀態的G連結串列（通過G的schedlink）
// gfreecnt是連結串列上節點的個數
G*gfree;
int32gfreecnt;
};
structM
{
G*g0;// M預設執行G
void(*mstartfn)(void);// OS執行緒執行的函式指標
G*curg;// 當前執行的G
P*p;// 當前關聯的P，要是當前不執行G，可以為nil
P*nextp;// 即將要關聯的P
int32id; // M的標識id
M*alllink;// 加到allm，使其不被垃圾回收(GC)
M*schedlink;// 指向連結串列的下一個M
};
21.2 goroutine
在Go中，goroutine的使用很簡單，直接在程式碼前加上關鍵字 go 即可。go關鍵字就是用來建立一個goroutine的，後面的程式碼塊就是這個goroutine需要執行的程式碼邏輯。
package main
import (
"fmt"
"time"
)
func main() {
for i := 1; i < 10; i++ {
go func(i int) {
fmt.Println(i)
}(i)
}
// 暫停一會，保證列印全部結束
time.Sleep(1e9)
}
有關於goroutine 之間的通訊以及goroutine與主執行緒的控制，我們後續通過channel、context以及鎖來進一步說明。
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雖然本書中例子都經過實際執行，但難免出現錯誤和不足之處，煩請您指出；如有建議也歡迎交流。