一、Golang 線程和協(xié)程的區(qū)別　　

備注：需要區(qū)分進程、線程(內(nèi)核級線程)、協(xié)程(用戶級線程)三個概念。

進程、線程 和 協(xié)程 之間概念的區(qū)別

對于 進程、線程，都是有內(nèi)核進行調(diào)度，有 CPU 時間片的概念，進行 搶占式調(diào)度（有多種調(diào)度算法）

對于 協(xié)程(用戶級線程)，這是對內(nèi)核透明的，也就是系統(tǒng)并不知道有協(xié)程的存在，是完全由用戶自己的程序進行調(diào)度的，因為是由用戶程序自己控制，那么就很難像搶占式調(diào)度那樣做到強制的 CPU 控制權(quán)切換到其他進程/線程，通常只能進行 協(xié)作式調(diào)度，需要協(xié)程自己主動把控制權(quán)轉(zhuǎn)讓出去之后，其他協(xié)程才能被執(zhí)行到。

goroutine 和協(xié)程區(qū)別

本質(zhì)上，goroutine 就是協(xié)程。 不同的是，Golang 在 runtime、系統(tǒng)調(diào)用等多方面對 goroutine 調(diào)度進行了封裝和處理，當(dāng)遇到長時間執(zhí)行或者進行系統(tǒng)調(diào)用時，會主動把當(dāng)前 goroutine 的CPU (P) 轉(zhuǎn)讓出去，讓其他 goroutine 能被調(diào)度并執(zhí)行，也就是 Golang 從語言層面支持了協(xié)程。

Golang 的一大特色就是從語言層面原生支持協(xié)程，在函數(shù)或者方法前面加 go關(guān)鍵字就可創(chuàng)建一個協(xié)程。

其他方面的比較

1. 內(nèi)存消耗方面

每個 goroutine (協(xié)程) 默認(rèn)占用內(nèi)存遠(yuǎn)比 Java 、C 的線程少。　　　　

goroutine：2KB 　　　　

線程：8MB

2. 線程和 goroutine 切換調(diào)度開銷方面

線程/goroutine 切換開銷方面，goroutine 遠(yuǎn)比線程小　　　　

線程：涉及模式切換(從用戶態(tài)切換到內(nèi)核態(tài))、16個寄存器、PC、SP...等寄存器的刷新等?！　　　?/p>

goroutine：只有三個寄存器的值修改 - PC / SP / DX.

二、協(xié)程底層實現(xiàn)原理　　

線程是操作系統(tǒng)的內(nèi)核對象，多線程編程時，如果線程數(shù)過多，就會導(dǎo)致頻繁的上下文切換，這些 cpu 時間是一個額外的耗費。

所以在一些高并發(fā)的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器編程中，使用一個線程服務(wù)一個 socket 連接是很不明智的。于是操作系統(tǒng)提供了基于事件模式的異步編程模型。用少量的線程來服務(wù)大量的網(wǎng)絡(luò)連接和I/O操作。

但是采用異步和基于事件的編程模型，復(fù)雜化了程序代碼的編寫，非常容易出錯。因為線程穿插，也提高排查錯誤的難度。

協(xié)程，是在應(yīng)用層模擬的線程，他避免了上下文切換的額外耗費，兼顧了多線程的優(yōu)點。簡化了高并發(fā)程序的復(fù)雜度。舉個例子，一個高并發(fā)的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，每一個socket連接進來，服務(wù)器用一個協(xié)程來對他進行服務(wù)。代碼非常清晰。而且兼顧了性能。

那么，協(xié)程是怎么實現(xiàn)的呢？

他和線程的原理是一樣的，當(dāng) a線程 切換到 b線程 的時候，需要將 a線程 的相關(guān)執(zhí)行進度壓入棧，然后將 b線程 的執(zhí)行進度出棧，進入 b線程 的執(zhí)行序列。協(xié)程只不過是在 應(yīng)用層 實現(xiàn)這一點。但是，協(xié)程并不是由操作系統(tǒng)調(diào)度的，而且應(yīng)用程序也沒有能力和權(quán)限執(zhí)行 cpu 調(diào)度。怎么解決這個問題？

答案是，協(xié)程是基于線程的。內(nèi)部實現(xiàn)上，維護了一組數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和 n 個線程，真正的執(zhí)行還是線程，協(xié)程執(zhí)行的代碼被扔進一個待執(zhí)行隊列中，由這 n 個線程從隊列中拉出來執(zhí)行。這就解決了協(xié)程的執(zhí)行問題。那么協(xié)程是怎么切換的呢？答案是：golang 對各種 io函數(shù) 進行了封裝，這些封裝的函數(shù)提供給應(yīng)用程序使用，而其內(nèi)部調(diào)用了操作系統(tǒng)的異步 io函數(shù)，當(dāng)這些異步函數(shù)返回 busy 或 bloking 時，golang 利用這個時機將現(xiàn)有的執(zhí)行序列壓棧，讓線程去拉另外一個協(xié)程的代碼來執(zhí)行，基本原理就是這樣，利用并封裝了操作系統(tǒng)的異步函數(shù)。包括 linux 的 epoll、select 和 windows 的 iocp、event 等。

由于golang是從編譯器和語言基礎(chǔ)庫多個層面對協(xié)程做了實現(xiàn)，所以，golang的協(xié)程是目前各類有協(xié)程概念的語言中實現(xiàn)的最完整和成熟的。十萬個協(xié)程同時運行也毫無壓力。關(guān)鍵我們不會這么寫代碼。但是總體而言，程序員可以在編寫 golang 代碼的時候，可以更多的關(guān)注業(yè)務(wù)邏輯的實現(xiàn)，更少的在這些關(guān)鍵的基礎(chǔ)構(gòu)件上耗費太多精力。

三、協(xié)程的歷史以及特點　　

協(xié)程（Coroutine）是在1963年由Melvin E. Conway USAF, Bedford, MA等人提出的一個概念。而且協(xié)程的概念是早于線程（Thread）提出的。但是由于協(xié)程是非搶占式的調(diào)度，無法實現(xiàn)公平的任務(wù)調(diào)用。也無法直接利用多核優(yōu)勢。因此，我們不能武斷地說協(xié)程是比線程更高級的技術(shù)。

盡管，在任務(wù)調(diào)度上，協(xié)程是弱于線程的。但是在資源消耗上，協(xié)程則是極低的。一個線程的內(nèi)存在 MB 級別，而協(xié)程只需要 KB 級別。而且線程的調(diào)度需要內(nèi)核態(tài)與用戶的頻繁切入切出，資源消耗也不小。

我們把協(xié)程的基本特點歸納為：

1. 協(xié)程調(diào)度機制無法實現(xiàn)公平調(diào)度

2. 協(xié)程的資源開銷是非常低的，一臺普通的服務(wù)器就可以支持百萬協(xié)程。 　　

那么，近幾年為何協(xié)程的概念可以大熱。我認(rèn)為一個特殊的場景使得協(xié)程能夠廣泛的發(fā)揮其優(yōu)勢，并且屏蔽掉了劣勢 --> 網(wǎng)絡(luò)編程。與一般的計算機程序相比，網(wǎng)絡(luò)編程有其獨有的特點。

1. 高并發(fā)（每秒鐘上千數(shù)萬的單機訪問量）

2. Request/Response。程序生命期端（毫秒，秒級）

3. 高IO，低計算（連接數(shù)據(jù)庫，請求API）。 　　

最開始的網(wǎng)絡(luò)程序其實就是一個線程一個請求設(shè)計的（Apache）。后來，隨著網(wǎng)絡(luò)的普及，誕生了C10K問題。Nginx 通過單線程異步 IO 把網(wǎng)絡(luò)程序的執(zhí)行流程進行了亂序化，通過 IO 事件機制最大化的保證了CPU的利用率。

至此，現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)程序的架構(gòu)已經(jīng)形成。基于IO事件調(diào)度的異步編程。其代表作恐怕就屬 NodeJS 了吧。

異步編程的槽點

異步編程為了追求程序的性能，強行的將線性的程序打亂，程序變得非常的混亂與復(fù)雜。對程序狀態(tài)的管理也變得異常困難。寫過Nginx C Module的同學(xué)應(yīng)該知道我說的是什么。我們開始吐槽 NodeJS 那惡心的層層Callback。

Golang 　　

在我們瘋狂被 NodeJS 的層層回調(diào)惡心到的時候，Golang 作為名門之后開始走入我們的視野。并且迅速的在Web后端極速的跑馬圈地。其代表者 Docker 以及圍繞這 Docker 展開的整個容器生態(tài)圈欣欣向榮起來。其最大的賣點 – 協(xié)程 開始真正的流行與討論起來。

我們開始向?qū)慞HP一樣來寫全異步IO的程序?？瓷先ッ篮脴O了，仿佛世界就是這樣了。

在網(wǎng)絡(luò)編程中，我們可以理解為 Golang 的協(xié)程本質(zhì)上其實就是對 IO 事件的封裝，并且通過語言級的支持讓異步的代碼看上去像同步執(zhí)行的一樣。

四、Golang 協(xié)程的應(yīng)用　　

我們知道，協(xié)程（coroutine）是Go語言中的輕量級線程實現(xiàn)，由Go運行時（runtime）管理。

在一個函數(shù)調(diào)用前加上go關(guān)鍵字，這次調(diào)用就會在一個新的goroutine中并發(fā)執(zhí)行。當(dāng)被調(diào)用的函數(shù)返回時，這個goroutine也自動結(jié)束。需要注意的是，如果這個函數(shù)有返回值，那么這個返回值會被丟棄。

先看一下下面的程序代碼：

func Add(x, y int) {
    z := x + y
    fmt.Println(z)
}
 
func main() {
    for i:=0; i<10; i++ {
        go Add(i, i)
    }
}

執(zhí)行上面的代碼，會發(fā)現(xiàn)屏幕什么也沒打印出來，程序就退出了。　　

對于上面的例子，main()函數(shù)啟動了10個goroutine，然后返回，這時程序就退出了，而被啟動的執(zhí)行 Add() 的 goroutine 沒來得及執(zhí)行。我們想要讓 main() 函數(shù)等待所有 goroutine 退出后再返回，但如何知道 goroutine 都退出了呢？這就引出了多個goroutine之間通信的問題。

在工程上，有兩種最常見的并發(fā)通信模型：共享內(nèi)存 和 消息。

下面的例子，使用了鎖變量（屬于一種共享內(nèi)存）來同步協(xié)程，事實上 Go 語言主要使用消息機制（channel）來作為通信模型

package main 
import (
    "fmt"
    "sync"
    "runtime"
)
 
var counter int = 0 
func Count(lock *sync.Mutex) {
    lock.Lock() // 上鎖
    counter++
    fmt.Println("counter =", counter)
    lock.Unlock()   // 解鎖
}
 
func main() {
    lock := &sync.Mutex{}
 
    for i:=0; i<10; i++ {
        go Count(lock)
    }
    for {
        lock.Lock() // 上鎖
        c := counter
        lock.Unlock()   // 解鎖
 
        runtime.Gosched() // 出讓時間片
 
        if c >= 10 {
            break
        }
    }
}

channel

消息機制認(rèn)為每個并發(fā)單元是自包含的、獨立的個體，并且都有自己的變量，但在不同并發(fā)單元間這些變量不共享。每個并發(fā)單元的輸入和輸出只有一種，那就是消息。

channel 是 Go 語言在語言級別提供的 goroutine 間的通信方式，我們可以使用 channel 在多個 goroutine 之間傳遞消息。channel是進程內(nèi)的通信方式，因此通過 channel 傳遞對象的過程和調(diào)用函數(shù)時的參數(shù)傳遞行為比較一致，比如也可以傳遞指針等。channel 是類型相關(guān)的，一個 channel 只能傳遞一種類型的值，這個類型需要在聲明 channel 時指定。

channel的聲明形式為：

var chanName chan ElementType

舉個例子，聲明一個傳遞int類型的channel：

var ch chan int

使用內(nèi)置函數(shù) make() 定義一個channel：

ch := make(chan int)

在channel的用法中，最常見的包括寫入和讀出：

// 將一個數(shù)據(jù)value寫入至channel，這會導(dǎo)致阻塞，直到有其他goroutine從這個channel中讀取數(shù)據(jù)
ch <- value
// 從channel中讀取數(shù)據(jù)，如果channel之前沒有寫入數(shù)據(jù)，也會導(dǎo)致阻塞，直到channel中被寫入數(shù)據(jù)為止
value := <-ch

默認(rèn)情況下，channel的接收和發(fā)送都是阻塞的，除非另一端已準(zhǔn)備好。

我們還可以創(chuàng)建一個帶緩沖的channel：

c := make(chan int, 1024)
// 從帶緩沖的channel中讀數(shù)據(jù)
for i:=range c {
　　...
}

此時，創(chuàng)建一個大小為1024的int類型的channel，即使沒有讀取方，寫入方也可以一直往channel里寫入，在緩沖區(qū)被填完之前都不會阻塞。

可以關(guān)閉不再使用的channel：

close(ch)

應(yīng)該在生產(chǎn)者的地方關(guān)閉channel，如果在消費者的地方關(guān)閉，容易引起panic；

現(xiàn)在利用channel來重寫上面的例子：

func Count(ch chan int) {
    ch <- 1
    fmt.Println("Counting")
}
 
func main() {
 
    chs := make([] chan int, 10)
 
    for i:=0; i<10; i++ {
        chs[i] = make(chan int)
        go Count(chs[i])
    }
 
    for _, ch := range(chs) {
        <-ch
    }
}

在這個例子中，定義了一個包含10個channel的數(shù)組，并把數(shù)組中的每個channel分配給10個不同的goroutine。在每個goroutine完成后，向goroutine寫入一個數(shù)據(jù)，在這個channel被讀取前，這個操作是阻塞的。

在所有的goroutine啟動完成后，依次從10個channel中讀取數(shù)據(jù)，在對應(yīng)的channel寫入數(shù)據(jù)前，這個操作也是阻塞的。

這樣，就用channel實現(xiàn)了類似鎖的功能，并保證了所有g(shù)oroutine完成后main()才返回。

另外，我們在將一個channel變量傳遞到一個函數(shù)時，可以通過將其指定為單向channel變量，從而限制該函數(shù)中可以對此channel的操作。

select

在UNIX中，select()函數(shù)用來監(jiān)控一組描述符，該機制常被用于實現(xiàn)高并發(fā)的socket服務(wù)器程序。Go語言直接在語言級別支持select關(guān)鍵字，用于處理異步IO問題，大致結(jié)構(gòu)如下：

select {
    case <- chan1:
    // 如果chan1成功讀到數(shù)據(jù)
     
    case chan2 <- 1:
    // 如果成功向chan2寫入數(shù)據(jù)
 
    default:
    // 默認(rèn)分支
}

select默認(rèn)是阻塞的，只有當(dāng)監(jiān)聽的channel中有發(fā)送或接收可以進行時才會運行，當(dāng)多個channel都準(zhǔn)備好的時候，select是隨機的選擇一個執(zhí)行的。

Go語言沒有對channel提供直接的超時處理機制，但我們可以利用select來間接實現(xiàn)，例如：

timeout := make(chan bool, 1) 
go func() {
    time.Sleep(1e9)
    timeout <- true
}()
 
switch {
    case <- ch:
    // 從ch中讀取到數(shù)據(jù)
 
    case <- timeout:
    // 沒有從ch中讀取到數(shù)據(jù)，但從timeout中讀取到了數(shù)據(jù)
}

這樣使用select就可以避免永久等待的問題，因為程序會在timeout中獲取到一個數(shù)據(jù)后繼續(xù)執(zhí)行，而無論對ch的讀取是否還處于等待狀態(tài)。

以上為個人經(jīng)驗，希望能給大家一個參考，也希望大家多多支持腳本之家。如有錯誤或未考慮完全的地方，望不吝賜教。