Go并發機制

? 協程：一個線程可以對應多個協程，協程串行運行在用戶空間。協程運行在線程之上，當一個協程執行完成后，可以選擇主動讓出，讓另一個協程運行在當前線程之上。協程并沒有增加線程數量，只是在線程的基礎之上通過分時復用的方式運行多個協程，而且協程的切換在用戶態完成，切換的代價比線程從用戶態到內核態的代價小很多。

? Go摒棄線程、進程、協程，提出goroutine：

• M(machine)：一個M代表一個內核線程（與KSE一一對應）
• P(processor)：一個P代表執行一個Go代碼片段所必須的資源（上下文環境）
• G(goroutine)：一個G代表一個Go代碼片段。

? 一個M與一個P關聯之后，就形成一個G的運行環境（內核線程+上下文環境）。M與KSE一對一，M與P總是一對一（當一個M因系統調用阻塞（運行的G進入系統調用），此時P會與M分離開來，并與新建/空閑的M關聯），P與G一對多

操作作用

runtime/debug.SetMaxThreads	設置M的最大數量
runtime.GOMAXPORCS	設置P的最大數量（可運行G隊列的數量）

一、M、P、G

——M(Machine)

? 系統維護一個全局M列表（runtime.allm） 調度器維護一個空閑M列表（runtime.sched.midle）

——P(Processor)

? 系統維護一個全局P列表（runtime.allp） 調度器維護一個空閑P列表（runtime.sched.pidle）

? 每個P維護一個可運行G隊列（runtime.p.runq）(隊列滿則會分出一半給調度器可運行G隊列)與一個自由G列表（runtime.p.gfree）（已經運行完成的G，在欲啟用一個go語句時，會復用該列表中的G。當P中的自由G列表元素過多或過少時，調度器的自由G列表會與其進行轉移）

狀態說明

Pidle	當前P未與任何M存在關聯
Prunning	當前P正在與某個M關聯
Psyscall	當前P中運行的那個G正在進行系統調用
Pgcstop	運行時系統需要停止調度（系統開始垃圾回收的一些步驟，會將全部P設為此狀態）
Pdead	當前P已經不會再被使用（調整最大P數量后，多余的P會被設為此狀態）

? 非dead狀態的P在系統欲停止調度時都會被置于Pgcstop狀態。等到需要重啟調度時，會被統一置于Pidle狀態，即公平的接受再次調度。同時進入dead狀態的P，其可運行的G與自由的G都會被轉移到調度器的可運行G列表與自由G列表中。

——G(goroutine例程)

? 系統維護一個全局G列表（runtime.allgs）

? 調度器維護一個可運行G列表（runtime.sched.runqhead runtime.sched.runqtail） 一個自由G列表（runtime.sched.gfreeStack runtime.sched.gfreeNoStack）

狀態說明

Gidle	剛被新分配，還未初始化
Grunnable	正在可運行隊列中等待運行
Grunning	當前G正在運行
Gsyscall	當前G正在執行系統調用
Gwaiting	當前G正在阻塞
Gdead	當前G正在閑置
Gcopystack	當前G的棧正在被移動

? Gdead不同于Pdead，前者可以加入自由列表等待再次復用，后者只會被銷毀。

二、調度器

? Go調度器不是運行在某個專用內核線程中的程序，調度器會運行在幾乎所有已存在的M（內核線程）中。

? 調度器基本數據結構：空閑M列表，空閑P列表，可運行G隊列，自由G列表，此外還有幾個重要字段與需要停止調度的任務（Stop the world，STW）有關。

字段名數據類型作用

gcwaiting	uint32	是否需要因一些任務而停止調度（比如垃圾回收）
stopwait	int32	需要停止但仍未停止的P數量
stopnote	note	實現與stopwait相關的事件通知機制

? 在停止調度前，gcwaiting被置為1，調度任務在發現這一狀態后，將當前P狀態置為Pgcstop并將stopwait字段減一。當stopwait減為0時，說明所有P已置為Pgcstop，此時利用stopnote喚醒待執行的任務（比如垃圾回收），之后恢復gcwaiting為0。

字段名數據類型作用

sysmonwait	unit32	在停止調度期間系統監控任務是否在等待
sysmonnote	note	實現與sysmonwait相關的事件通知機制

? 這兩個字段針對系統監測任務，即在執行需要停止調度的任務之前，也需要停止系統監測任務。系統監測程序發現所有P都已經閑置或gcwaiting不為0，會將sysmonwait置為1，并使用sysmonnote暫停自身，結束后，再恢復這兩個狀態。

一輪調度

? 在啟動Go程序并完成初始化后，會啟動一輪調度使得封裝了main函數的G可以被調度運行，在G運行阻塞、結束、退出系統調用后都會引發一輪調度。

• M與G的成對鎖定，是為了CGO準備。即C的函數庫會將數據存儲于內核線程，所以為了放止數據丟失，只能在一段時期內將G與特定M進行關聯。

• 當調度器為某個M1尋找到可執行G，但是檢查到某個M2已經與該G鎖定，則會立刻停止調度并停止M2，并將G交由M2運行（實際上是把M1的P交由M2），M1則尋找其他可執行G。——這意味著M2在運行鎖定的G前，不會做其他事，即資源被浪費。

• 全力查找可運行的G：若還未找到G，則調度器會停止該M，并在以后特定時刻喚醒重新查找。還未找到可運行G的M稱為自旋狀態。

• 啟用或停止M

  （1）調度器調度一個M會預先檢查其是否與某個G鎖定；如果有，則會調用stoplockedm解除當前M與P的關聯并將P轉手，并暫停當前M的執行。

  （2）調度器為M發現一個可運行的G，但是該G已經被其他M鎖定。會調用startlockedm將本地M的P轉手給鎖定的M，并暫停本地M的運行。放入空閑M列表。

  （3）調度器發現有STW任務時，會調用gcstopm停止當前M。即釋放本地P（置為Pgcstop）并調用stopm。

  （4）只有當有新工作，并且由空閑P時，調用startm才可以執行一個M。

  操作作用

  stopm()	停止當前M的執行
  gcstopm()	為STW任務讓路，停止當前M，執行完畢后會被喚醒
  stoplockedm()	停止已與某個G鎖定的M的執行，直到這個G可運行
  startlockedm(gp *g)	喚醒與gp鎖定的那個M
  startm(p *p, spining bool)	喚醒或創建一個M去關聯P并開始執行

三、其他幾個要點

——g0、m0

? g0：系統中每個M擁有的特殊G。g0所擁有的內存稱為M的調度棧，對應于內核中線程的棧，即OS線程棧。用于執行調度、垃圾回收、棧管理等。

? gsignal：系統中每個M擁有的特殊G，用來處理信號。即信號棧。

? m0：Go程序的第一個內核線程runtime.g0，用于執行引導程序。

——調度器鎖和原子操作

? 每個M都有可能執行調度任務，而這些任務可能會并發進行，所以需要在讀寫一些全局變量時進行調度器鎖保護。比如sched.stopwait（STW任務時記錄需要停止的M）、sched.nmidle（對空閑M計數）、對核心元素容器進行存取（runtime.allp, runtime.sched.runqhead）。

? 同時也采用原子操作保護一些變量。比如sched.spining（對自旋M計數）、sched.ngsys（對系統G計數）、切換G狀態。

——調整GC

? Go的GC基于CMS(Concurrent Mark-Sweep)算法。調度器會適時調度GC相關任務執行，系統監測任務也會在必要時強制執行。有三種執行模式：

• gcBackgroundMode：并發執行垃圾收集和清掃。
• gcForceMode：串行的執行垃圾收集（即執行時停止調度），并發的執行垃圾清掃。
• gcForceBlockMode：串行的執行垃圾收集和清掃。

總結

以上是生活随笔為你收集整理的Go学习笔记—并发高级的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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