Go语言中Goroutine和协程的作用是什么

Go语言中Goroutine和协程的作用是什么，很多新手对此不是很清楚，为了帮助大家解决这个难题，下面小编将为大家详细讲解，有这方面需求的人可以来学习下，希望你能有所收获。

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1.协程简介

大家对于进程、线程都很熟悉，但协程就没有火了，协程并不是Go语言特有的机制，相反像Lua、Ruby、Python、Kotlin、C/C++等也都有协程的支持，区别在于有的是从语言层面支持、有的通过插件类库支持。Go语言是原生语言层面支持，本文也是从Go角度去理解协程。

1.1 协程基本概念和提出者

协程英文是Coroutine译为协同程序“

协同程序是一种计算机程序组件，它允许暂停和恢复执行，从而可以作为通用化的非抢占式多任务处理子程序。

协同程序非常适合实现例如协作任务、异常、事件循环、迭代器、管道等熟悉的程序组件。

根据唐纳德·克努特的说法，梅尔文·康威在1958年将Coroutine这个术语应用于装配程序的构建，直到在1963年才首次发表了阐述Coroutine的论文。

1.2 协程和进线程的对比

我们来复习一下进线程和协程的一些基本特点吧:

进程是系统资源分配的最小单位, 进程包括文本段text region、数据段data region和堆栈段stack region等。进程的创建和销毁都是系统资源级别的，因此是一种比较昂贵的操作，进程是抢占式调度其有三个状态:等待态、就绪态、运行态。进程之间是相互隔离的，它们各自拥有自己的系统资源, 更加安全但是也存在进程间通信不便的问题。

进程是线程的载体容器，多个线程除了共享进程的资源还拥有自己的一少部分独立的资源，因此相比进程而言更加轻量，进程内的多个线程间的通信比进程容易，但是也同样带来了同步和互斥的问题和线程安全问题，尽管如此多线程编程仍然是当前服务端编程的主流，线程也是CPU调度的最小单位，多线程运行时就存在线程切换问题，其状态转移如图：

协程在有的资料中称为微线程或者用户态轻量级线程，协程调度不需要内核参与而是完全由用户态程序来决定，因此协程对于系统而言是无感知的。协程由用户态控制就不存在抢占式调度那样强制的CPU控制权切换到其他进线程，多个协程进行协作式调度，协程自己主动把控制权转让出去之后，其他协程才能被执行到，这样就避免了系统切换开销提高了CPU的使用效率。

抢占式调度和协作式调度的简单对比：

看到这里我们不免去想：看着协作式调度优点更多，那么为什么一直是抢占式调度占上风呢?让我们继续一起学习，可能就能解答这个问题了。

1.3 实际工作中的我们

我们写程序的时经常需要考虑的因素就是提高机器使用率，这个非常好理解。当然机器使用率和开发效率维护成本往往存在权衡，说句大白话就是：要么费人力要么费机器，选一个吧!

机器成本里面最贵的就是CPU了，程序一般分为CPU密集型和IO密集型，对于CPU密集型我们的优化空间可能没那么多，但对于IO密集型却有非常大的优化空间，试想我们的程序总是处于IO等待中让CPU呼呼睡大觉，那该多糟糕。

为了提高IO密集型程序的CPU使用率，我们尝试多进程/多线程编程等让多个任务一起跑分时复用抢占式调度，这样提高了CPU的利用率，但由于多个进线程存在调度切换，这也有一定的资源消耗，因此进线程数量不可能无限增大。

我们现在写的程序大部分都是同步IO的，效率还不够高，因此出现了一些异步IO框架，但是异步框架的编程难度比同步框架要大，但不可否认异步是一个很好的优化方向，先不要晕，来看下同步IO和异步IO就知道了：

同步是指应用程序发起I/O请求后需要等待或者轮询内核I/O操作完成后才能继续执行，异步是指应用程序发起I/O请求后仍继续执行，当内核I/O操作完成后会通知应用程序或者调用应用程序注册的回调函数。

我们以C/C++开发的服务端程序为例，Linux的异步IO出现的比较晚，因此像epoll之类的IO复用技术仍然有相当大的地盘，但是同步IO的效率毕竟不如异步IO，因此当前的优化方向包括：异步IO框架(像boost.asio框架)和协程方案(腾讯libco)。

2.Go和协程

我们知道协程是Coroutine，Go语言在语言层面对协程进行了原生支持并且称之为Goroutine，这也是Go语言强大并发能力的重要支撑，Go的CSP并发模型是通过Goroutine和channel来实现的，后续会专门写一下CSP并发模型。

2.1 协作式调度和调度器

协作式调度中用户态协程会主动让出CPU控制权来让其他协程使用，确实提高了CPU的使用率，但是不由得去思考用户态协程不够智能怎么办?不知道何时让出控制权也不知道何时恢复执行。

读到这里忽然明白了抢占式调度的优势了，在抢占式调度中都是由系统内核来完成的，用户态不需要参与，并且内核参与使得平台移植好，说到底还是各有千秋啊!

为了解决这个问题我们需要一个中间层来调度这些协程，这样才能让用户态的成千上万个协程稳定有序地跑起来，我们姑且把这个中间层称为用户态协程调度器吧!

2.2 Goroutine和Go的调度器模型

Go语言从2007年底开发直到今天已经发展了12年，Go的调度器也不是一蹴而就的，在最初的几个版本中Go的调度器也非常简陋，无法支撑大并发。

经过多个版本的迭代和优化，目前已经有很优异的性能了，不过我们还是来回顾一下Go调度器的发展历程。

Go的调度器非常复杂，篇幅所限本文只提一些基本的概念和原理，后续会深入去展开Go的调度器。

最近几个版本的Go调度器采用GPM模型，其中有几个概念先看下：

GPM模型使用一种M:N的调度器来调度任意数量的协程运行于任意数量的系统线程中，从而保证了上下文切换的速度并且利用多核，但是增加了调度器的复杂度。

整个GPM调度的简单过程如下：

新创建的Goroutine会先存放在Global全局队列中，等待Go调度器进行调度，随后Goroutine被分配给其中的一个逻辑处理器P，并放到这个逻辑处理器对应的Local本地运行队列中，最终等待被逻辑处理器P执行即可。

在M与P绑定后，M会不断从P的Local队列中无锁地取出G，并切换到G的堆栈执行，当P的Local队列中没有G时，再从Global队列中获取一个G，当Global队列中也没有待运行的G时，则尝试从其它的P窃取部分G来执行相当于P之间的负载均衡。

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