深入解析 Go 语言 GMP 模型：并发编程的焦点机制

前言

本章是Go并发编程的起始篇章，在未来几篇文章中我们会围绕Go并发编程进行理论和实战的学习，欢迎关注我哦！
本章主要以先容GMP模型为主，偏向于面试和八股，目标是让小伙伴们注重于知识本身，面向面试，面向八股，面向加薪。
Go语言自诞生以来，就以其简洁、高效的并发模型著称。而这其中的焦点正是GMP模型。理解GMP模型的演进进程，能资助我们更好地掌握Go的并发编程。而Goroutine作为Go中的焦点概念，极大地简化了并发编程的复杂度。本文将详细阐述Go语言GMP模型的演变过程，并深入解析其设计理念和优点，并详细先容Goroutine的根本概念、优势及其使用方法，并结合具体代码示例进行说明。
面试标题

在阅读本文前，先带着以下几个关于GMP模型的面试标题进行思考，以加深理解和掌握：

• 什么是GMP模型？请表明其根本概念。
  

• 回答要点：表明G、M、P的概念及其在调度模型中的角色。
  

• 如何理解GMP模型中线程的内核态和用户态？
  

• 回答要点：区分内核态线程和用户态线程，并说明它们在GMP模型中的作用。
  

• Go语言中的Goroutine与线程的映射关系是怎样的？为什么选择这种映射方式？
  

• 回答要点：表明Goroutine与线程的多对多映射关系及其优点。
  

• GMP模型如何解决线程调度中的锁竞争问题？
  

• 回答要点：先容全局队列和本地队列的使用，以及G的分配机制。
  

• GMP模型中的Stealing机制是什么？它如何工作？
  

• 回答要点：形貌Stealing机制的原理及其在Goroutine调度中的应用。
  

• 什么是Hand off机制？在什么情况下会使用该机制？
  

• 回答要点：表明Hand off机制及其在阻塞和系统调用中的应用。
  

• 如何理解GMP模型中的抢占式调度？它解决了哪些问题？
  

• 回答要点：说明抢占式调度的原理及其在防止协程饿死中的作用。
  

• 什么是G0和M0？它们在GMP模型中饰演什么角色？
  

• 回答要点：形貌G0和M0的界说及其在Goroutine调度中的功能。
  

• 请详细说明GMP模型中的调度策略。
  

• 回答要点：逐步表明Goroutine的创建、唤醒、偷取、切换、自旋、系统调用和阻塞处置惩罚策略。
  

• 如安在实际项目中调优GMP调度模型？
  

• 回答要点：讨论如何通过调解GOMAXPROCS等参数来优化调度性能。
  

带着这些问题阅读本文，可以资助你更系统地掌握GMP模型的焦点概念和调度机制，提高面试中的应答能力。
单进程时代

根本概念

在单进程时代，一个进程就是一个运行中的程序。计算机系统在执行程序时，会重新到尾依次执行完一个程序，然后再执行下一个程序。在这种模型中，不必要复杂的调度机制，因为只有一个执行流程。
面对的两个问题

• 单一执行流程：由于只能一个个执行程序，无法同时处置惩罚多个任务，这大大限定了CPU的使用率。
  
• 进程阻塞：当一个进程遇到I/O操纵等阻塞情况时，CPU资源会被浪费，等待进程完成阻塞操纵后再继续执行，导致效率低下。
  

多进程/线程并发时代

根本概念

为了解决单进程时代的效率问题，引入了多进程和多线程并发模型。在这种模型中，当一个进程阻塞时，CPU可以切换到另一个准备好的进程继续执行。这样可以充分使用CPU资源，提高系统的并发处置惩罚能力。
两个问题

• 高开销：进程拥有大量资源，进程的创建、切换和销毁都必要消耗大量的时间和资源。这导致CPU很大一部门时间都在处置惩罚进程调度，而不是实际的任务执行。
  
• 高内存占用：在32位机器下，进程的虚拟内存占用为4GB，线程占用为4MB。大量的线程和进程会导致高内存消耗，限定了系统的扩展性。
  

协程的引入

为了解决多进程和多线程带来的高开销和高内存占用问题，引入了协程（Coroutine）。协程是一种比线程更轻量级的执行单元。协程在用户态进行调度，避免了频繁的上下文切换带来的开销。Go语言的GMP模型正是基于协程的设计。
协程的根本概念

在深入了解Goroutine之前，先来了解一下协程（Coroutine）的根本概念。
内核态和用户态

• 内核态线程：由操纵系统管理和调度，CPU只负责处置惩罚内核态线程。
  
• 用户态线程：由用户程序管理，需绑定到内核态线程上执行，协程即为用户态线程的一种。
  

内核态和用户态线程关系图

• Kernel Space（内核空间）：上半部门的灰色区域，表示操纵系统管理的内核空间。
  
• User Space（用户空间）：下半部门的白色区域，表示用户程序运行的空间。
  
• Kernel Thread 1 和 Kernel Thread 2（内核线程）：由操纵系统管理的内核线程，CPU直接处置惩罚这些线程。
  
• User Thread 1、User Thread 2 和 User Thread 3（用户线程）：由用户程序管理的用户线程（协程），需绑定到内核线程上执行。
  

执行流程

• 用户态线程：
  
  
  
  • 用户程序创建多个用户线程（如协程），如图中的“User Thread 1”、“User Thread 2”和“User Thread 3”。
    
  
  
• 内核态线程：
  
  
  
  • 用户线程需绑定到内核态线程上执行，如图中的“Kernel Thread 1”和“Kernel Thread 2”。
    
  
  
• CPU处置惩罚：
  
  
  
  • CPU只处置惩罚内核态线程，通过绑定关系，用户态线程的执行也依赖于内核态线程的调度。
    
  • 图中的赤色箭头表示CPU正在处置惩罚内核线程，从而间接处置惩罚绑定的用户线程。
    
  
  

线程和协程的映射关系

• 单线程绑定所有协程：
  
  
  
  • 问题1：无法使用多核CPU的能力。
    
  • 问题2：假如某个协程阻塞，整个线程和进程都将阻塞，导致其他协程无法执行，丧失并发能力。
    
  
  
• 一对一映射：
  
  
  
  • 将每个协程绑定到一个线程上，退回到多进程/线程的模式，协程的创建、切换、销毁均需CPU完成，效率低下。
    
  
  
• 多对多映射：
  
  
  
  • 允许多个协程绑定到多个线程上，形成M:N的关系。这样可以充分使用多核CPU，并通过协程调度器高效管理协程的执行。
    
  
  

Goroutine

Goroutine是Go语言中的协程，实现了轻量级并发。与传统的线程相比，Goroutine具有以下显著特点：
轻量级

Goroutine非常轻量，初始化时仅占用几KB的栈内存，并且栈内存可以根据必要动态伸缩。这使得我们可以在Go程序中创建成千上万个Goroutine，而不会消耗过多的系统资源。
高效调度

Goroutine的调度由Go语言的运行时（runtime）负责，而不是操纵系统。Go运行时在用户态进行调度，避免了频繁的上下文切换带来的开销，使得调度更加高效。
Goroutine的使用示例

下面是一个简朴的示例，展示了如安在Go语言中使用Goroutine进行并发编程。

1. package main
3. import (
4.     "fmt"
5.     "time"
6. )
8. func say(s string) {
9.     for i := 0; i < 5; i++ {
10.         time.Sleep(100 * time.Millisecond)
11.         fmt.Println(s)
12.     }
13. }
15. func main() {
16.     go say("Hello")
17.     go say("World")
18.     time.Sleep(1 * time.Second)
19.     fmt.Println("Done")
20. }

复制代码

在这个示例中，两个Goroutine同时执行，分别打印"Hello"和"World"。通过使用go关键字，我们可以轻松地启动一个新的Goroutine。
必要注意的事项

• 主Goroutine的竣事：在Go程序中，main函数本身也是一个Goroutine，称为主Goroutine。当主Goroutine竣事时，所有其他Goroutine也会随之终止。因此，必要确保主Goroutine等待所有子Goroutine执行完毕。
  
• 同步和共享数据：固然Goroutine之间共享内存空间，但必要通过同步机制（如通道和锁）来避免竞争条件。Go语言保举使用通道（channel）进行Goroutine之间的通讯，以保证数据的安全性和同步性。
  

示例：使用通道进行同步

下面的示例展示了如何使用通道来同步多个Goroutine的执行。
[code]package mainimport (    "fmt"    "sync")func worker(id int, wg *sync.WaitGroup) {    defer wg.Done()    fmt.Printf("Worker %d starting\n", id)    // 模仿工作    fmt.Printf("Worker %d done\n", id)}func main() {    var wg sync.WaitGroup    for i := 1; i