Goroutine 是 Go 編程語言中一個(gè)極具特色的設(shè)計(jì)，也是其并發(fā)能力的核心亮點(diǎn)之一。Goroutine 本質(zhì)上是一種協(xié)程（Coroutine），是實(shí)現(xiàn)并行計(jì)算的關(guān)鍵。使用 Goroutine 非常簡(jiǎn)單，只需通過 go 關(guān)鍵字即可啟動(dòng)一個(gè)協(xié)程，協(xié)程會(huì)以異步方式運(yùn)行。程序無需等待 Goroutine 完成即可繼續(xù)執(zhí)行后續(xù)代碼。

go func() // 使用 go 關(guān)鍵字啟動(dòng)一個(gè)協(xié)程

II. Goroutine 的內(nèi)部原理

概念介紹

并發(fā)（Concurrency）

在單個(gè) CPU 上，可以同時(shí)執(zhí)行多個(gè)任務(wù)。在極短的時(shí)間內(nèi)，CPU 會(huì)在任務(wù)之間快速切換（例如，先執(zhí)行一小段程序 A，然后迅速切換到程序 B）。從宏觀上看，這種任務(wù)的時(shí)間上有重疊，似乎是同時(shí)執(zhí)行的，但從微觀上看，實(shí)際上是順序執(zhí)行的。這種現(xiàn)象稱為并發(fā)。

并行（Parallelism）

當(dāng)系統(tǒng)擁有多個(gè) CPU 時(shí)，每個(gè) CPU 可以同時(shí)運(yùn)行任務(wù)，且各自不需要爭(zhēng)奪資源。多個(gè)任務(wù)真正同時(shí)運(yùn)行，這種現(xiàn)象稱為并行。

進(jìn)程（Process）

當(dāng) CPU 在多個(gè)程序之間切換時(shí)，如果不保存之前程序的狀態(tài)（即上下文），直接切換到下一個(gè)程序，那么之前程序的一系列狀態(tài)會(huì)丟失。為了解決這個(gè)問題，引入了進(jìn)程的概念。進(jìn)程為程序執(zhí)行分配所需的資源，因此進(jìn)程是程序運(yùn)行的基本資源單位（也可以看作程序執(zhí)行的實(shí)體）。例如，運(yùn)行一個(gè)文本編輯器時(shí)，該進(jìn)程會(huì)管理所有資源，如文本緩沖區(qū)的內(nèi)存空間、文件操作資源等。

線程（Thread）

CPU 在多個(gè)進(jìn)程之間切換時(shí)，由于需要進(jìn)入內(nèi)核模式并讀取用戶模式數(shù)據(jù)，切換開銷較大。隨著進(jìn)程數(shù)量增加，CPU 調(diào)度會(huì)消耗大量資源。為了解決這一問題，引入了線程的概念。線程本身消耗的資源很少，它們共享進(jìn)程內(nèi)的資源。線程的調(diào)度開銷比進(jìn)程小得多。例如，在一個(gè) Web 服務(wù)器應(yīng)用中，可以使用多個(gè)線程同時(shí)處理不同的客戶端請(qǐng)求，這些線程共享服務(wù)器進(jìn)程的資源（如網(wǎng)絡(luò)連接和內(nèi)存緩存）。

協(xié)程（Coroutine）

協(xié)程擁有自己的寄存器上下文和棧。當(dāng)協(xié)程被調(diào)度切換時(shí)，會(huì)保存當(dāng)前的寄存器上下文和棧；當(dāng)切換回來時(shí)，則恢復(fù)之前保存的上下文和棧。因此，協(xié)程可以保留上一次調(diào)用的狀態(tài)（即所有局部狀態(tài)的特定組合）。每次重新進(jìn)入?yún)f(xié)程時(shí)，相當(dāng)于返回到上次調(diào)用時(shí)的狀態(tài)，即邏輯流程中上次退出的位置。

線程和進(jìn)程的操作由系統(tǒng)接口觸發(fā)，最終由系統(tǒng)執(zhí)行；而協(xié)程的操作由用戶程序自身執(zhí)行。Goroutine 就是一種協(xié)程。

調(diào)度模型簡(jiǎn)介

Goroutine 的強(qiáng)大并發(fā)能力通過 GPM 調(diào)度模型實(shí)現(xiàn)。以下是 Goroutine 調(diào)度模型的核心結(jié)構(gòu)：

調(diào)度器中的四個(gè)重要結(jié)構(gòu)

1. M（Machine）表示內(nèi)核級(jí)線程。每個(gè) M 對(duì)應(yīng)一個(gè)線程，Goroutine 運(yùn)行在 M 上。例如，當(dāng)一個(gè) Goroutine 被啟動(dòng)以執(zhí)行復(fù)雜計(jì)算時(shí)，該 Goroutine 會(huì)被分配到一個(gè) M 上執(zhí)行。M 是一個(gè)較大的結(jié)構(gòu)，包含小對(duì)象內(nèi)存緩存（mcache）、當(dāng)前正在執(zhí)行的 Goroutine、隨機(jī)數(shù)生成器等信息。
2. G（Goroutine）表示 Goroutine。它有自己的棧，用于存儲(chǔ)函數(shù)調(diào)用信息，還有一個(gè)指令指針，用于指定執(zhí)行位置。此外，G 還包含其他信息（如等待的通道信息），這些信息用于調(diào)度。例如，當(dāng)一個(gè) Goroutine 等待從通道接收數(shù)據(jù)時(shí)，該信息會(huì)存儲(chǔ)在 G 結(jié)構(gòu)中。
3. P（Processor）全稱為 Processor，主要用于執(zhí)行 Goroutine。可以將其視為任務(wù)分發(fā)器。P 維護(hù)一個(gè) Goroutine 隊(duì)列，存儲(chǔ)需要由其執(zhí)行的所有 Goroutine。例如，當(dāng)創(chuàng)建多個(gè) Goroutine 時(shí)，這些 Goroutine 會(huì)被添加到 P 的隊(duì)列中等待調(diào)度。
4. Sched（Scheduler）表示調(diào)度器?？梢钥醋魇侵醒胝{(diào)度中心，維護(hù) M 和 G 的隊(duì)列，以及調(diào)度器的一些狀態(tài)信息，確保整個(gè)系統(tǒng)的高效調(diào)度。

調(diào)度的實(shí)現(xiàn)

調(diào)度模型圖

如圖所示，有兩個(gè)物理線程 M，每個(gè) M 綁定一個(gè)處理器 P，并運(yùn)行一個(gè) Goroutine。

• P 的數(shù)量可以通過 GOMAXPROCS() 設(shè)置。它實(shí)際上表示真正的并發(fā)級(jí)別，即可以同時(shí)運(yùn)行的 Goroutine 數(shù)量。
• 圖中灰色的 Goroutine 尚未運(yùn)行，處于就緒狀態(tài)，等待被調(diào)度。P 維護(hù)了這些 Goroutine 的隊(duì)列（稱為運(yùn)行隊(duì)列 runqueue）。
• 在 Go 語言中，啟動(dòng)一個(gè) Goroutine 非常簡(jiǎn)單：只需使用 go function。每次執(zhí)行 go 語句時(shí)，都會(huì)將一個(gè) Goroutine 添加到運(yùn)行隊(duì)列末尾。在下一個(gè)調(diào)度點(diǎn)，會(huì)從運(yùn)行隊(duì)列中取出一個(gè) Goroutine 執(zhí)行。

當(dāng)某個(gè)操作系統(tǒng)線程（如 M0）被阻塞時(shí)（如下圖所示），P 會(huì)切換到另一個(gè)線程（如 M1）。M1 可能是新創(chuàng)建的，也可能是從線程緩存中取出的。

線程阻塞切換圖

當(dāng) M0 返回時(shí)，它需要嘗試獲取一個(gè) P 來運(yùn)行 Goroutine。如果無法獲取 P，它會(huì)將 Goroutine 放入全局運(yùn)行隊(duì)列，并進(jìn)入休眠狀態(tài)（進(jìn)入線程緩存）。所有 P 會(huì)定期檢查全局運(yùn)行隊(duì)列，并運(yùn)行其中的 Goroutine；否則，全局運(yùn)行隊(duì)列中的 Goroutine 將永遠(yuǎn)無法執(zhí)行。

III. Goroutine 的使用

基本用法

設(shè)置 Goroutine 的運(yùn)行 CPU 數(shù)量。Go 的最新版本默認(rèn)會(huì)自動(dòng)設(shè)置。

num := runtime.NumCPU() // 獲取主機(jī)的邏輯 CPU 數(shù)量
runtime.GOMAXPROCS(num) // 根據(jù)主機(jī) CPU 數(shù)量設(shè)置 Goroutine 的最大并發(fā)級(jí)別

使用示例

示例 1：簡(jiǎn)單的 Goroutine 計(jì)算

package main

import (
    "fmt"
    "time"
)

func cal(a int, b int) {
    c := a + b
    fmt.Printf("%d + %d = %d\n", a, b, c)
}

func main() {
    for i := 0; i < 10; i++ {
        go cal(i, i+1) // 啟動(dòng) 10 個(gè) Goroutine 進(jìn)行計(jì)算
    }
    time.Sleep(time.Second * 2) // 等待所有任務(wù)完成
}

運(yùn)行結(jié)果：

8 + 9 = 17
9 + 10 = 19
4 + 5 = 9
...

Goroutine 異常捕獲

當(dāng)啟動(dòng)多個(gè) Goroutine 時(shí)，如果其中一個(gè)發(fā)生異常且未處理，整個(gè)程序會(huì)終止。因此，建議在每個(gè) Goroutine 的函數(shù)中添加異常處理。可以使用 recover 函數(shù)捕獲異常。

package main

import (
    "fmt"
    "time"
)

func addele(a []int, i int) {
    deferfunc() {
        if err := recover(); err != nil {
            fmt.Println("add ele fail")
        }
    }()
    a[i] = i
    fmt.Println(a)
}

func main() {
    Arry := make([]int, 4)
    for i := 0; i < 10; i++ {
        go addele(Arry, i)
    }
    time.Sleep(time.Second * 2)
}

運(yùn)行結(jié)果：

add ele fail
[0 0 0 0]
[0 1 0 0]
...

Goroutine 的同步

由于 Goroutine 是異步執(zhí)行的，主程序可能在 Goroutine 完成前退出。為確保所有 Goroutine 完成后再退出，Go 提供了 sync 包和 channel 來解決同步問題。

示例 1：使用 sync.WaitGroup 同步 Goroutine

package main

import (
    "fmt"
    "sync"
)

func cal(a int, b int, n *sync.WaitGroup) {
    c := a + b
    fmt.Printf("%d + %d = %d\n", a, b, c)
    defer n.Done()
}

func main() {
    var go_sync sync.WaitGroup
    for i := 0; i < 10; i++ {
        go_sync.Add(1)
        go cal(i, i+1, &go_sync)
    }
    go_sync.Wait()
}

運(yùn)行結(jié)果：

9 + 10 = 19
2 + 3 = 5
...

Goroutine 間的通信

Goroutine 本質(zhì)上是協(xié)程，可以通過 channel 實(shí)現(xiàn)通信或數(shù)據(jù)共享。

示例：使用 channel 模擬生產(chǎn)者-消費(fèi)者模式

package main

import (
    "fmt"
    "sync"
)

func Productor(mychan chan int, data int, wait *sync.WaitGroup) {
    mychan <- data
    fmt.Println("product data:", data)
    wait.Done()
}

func Consumer(mychan chan int, wait *sync.WaitGroup) {
    a := <-mychan
    fmt.Println("consumer data:", a)
    wait.Done()
}

func main() {
    datachan := make(chanint, 100)
    var wg sync.WaitGroup
    for i := 0; i < 10; i++ {
        wg.Add(1)
        go Productor(datachan, i, &wg)
    }
    for j := 0; j < 10; j++ {
        wg.Add(1)
        go Consumer(datachan, &wg)
    }
    wg.Wait()
}

運(yùn)行結(jié)果：

product data: 0
consumer data: 0
...