什么是协程？

Posted 2022-11-29 瘦弱的皮卡丘

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篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了什么是协程？相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

一、前言

二、从多进程，多线程角度来分析

三、Goroutine 调度器的 GMP 模型的设计思想

一、前言

现在网上关于协程的博文已经不在少数了，但我通过阅读并没有觉得真正的了解什么是协程，所以我决定自己写一篇博客，来帮助大家了解并学习协程的运作方式。

首先，我们从上下文切换的角度来分析进程，线程以及协程的区别，来对协程有一个初步的了解。

进程的上下文切换涉及到从【用户态】->【内核态】->【用户态】的过程，并且上下文中包含非常多的数据，如下图所示：

线程的上下文切换涉及到从【用户态】->【内核态】->【用户态】的过程，上下文中包含的数据虽然不像进程中的那么多，但整个过程也非常耗时，具体包含的数据如下图所示：

相较而言，协程的上下文切换则快了很多，它只需在【用户态】即可完成上下文的切换，并且需要切换的上下文信息也较少

也许大家有些疑惑，为什么【用户态】->【内核态】->【用户态】这一过程比较耗时，耗资源呢？

我们知道，操作系统保持跟踪进程运行所需的所有状态信息，这种状态，也就是上下文。

进程的上下文包括许多信息，比如PC和寄存器文件的当前值，以及主存的内容。

为什么会有上下文的切换？

在任何一个时刻，单处理器系统都只能执行一个进程的代码。当操作系统决定要把控制权从当前进程转移到某个新进程时，就会进行上下文切换，即保存当前进程的上下文、恢复新进程的上下文，然后将控制权传递到新进程。新进程就会从它上次停止的地方开始。

上下文切换为什么要陷入内核？

假设现在有两个并发的进程：shel进程和hello进程。最开始，只有 shell进程在运行，即等待命令行上的输人。当我们让它运行hello程序时， shell通过调用一个专门的函数，即系统调用，来执行我们的请求，系统调用会将控制权传递给操作系统。操作系统保存 shell进程的上下文，创建一个新的hello进程及其上下文，然后将控制权传给新的hello进程。hello进程终止后，操作系统恢复shll进程的上下文，并将控制权传回给它， shell进程会继续等待下一个命令行输入。

从上面这个实例我们可以得出结论：

（1）上一个进程的上下文信息还在内存和处理器当中，我们要保存这些信息的话，就必须陷入到内核态才可以。

（2）创建一个新的进程，以及它的上下文信息，并且将控制权交给这个新进程，这些都只有在内核态才能实现。

综上，我们可以得出结论，进程和线程的上下文切换相较于协程比较“耗时耗力”。

那么协程的上下文切换相较线程有哪些提升？

协程上下文切换只涉及CPU上下文切换，而所谓的CPU上下文切换是指少量寄存器（PC / SP / DX）的值修改，协程切换非常简单，就是把当前协程的 CPU 寄存器状态保存起来，然后将需要切换进来的协程的 CPU 寄存器状态加载的 CPU 寄存器上就 ok 了。而对比线程的上下文切换则需要涉及模式切换（从用户态切换到内核态）、以及 16 个寄存器、PC、SP…等寄存器的刷新；

PC程序计数器：保存下一条指令的地址

SP：保存栈顶的地址

线程栈空间通常是 2M，协程栈空间最小 2K。

二、从多进程，多线程角度来分析

我们知道，一切的软件都是跑在操作系统上，真正用来干活 (计算) 的是 CPU。早期的操作系统每个程序就是一个进程，知道一个程序运行完，才能进行下一个进程，就是 “单进程时代”。一切的程序只能串行发生。

早期的单进程操作系统，面临 2 个问题：

单一的执行流程，计算机只能一个任务一个任务处理。
进程阻塞所带来的 CPU 时间浪费。

那么能不能有多个进程来宏观一起来执行多个任务呢？

后来操作系统就具有了最早的并发能力：多进程并发，当一个进程阻塞的时候，切换到另外等待执行的进程，这样就能尽量把 CPU 利用起来，CPU 就不浪费了。

在多进程 / 多线程的操作系统中，就解决了阻塞的问题，因为一个进程阻塞 cpu 可以立刻切换到其他进程中去执行，而且调度 cpu 的算法可以保证在运行的进程都可以被分配到 cpu 的运行时间片。这样从宏观来看，似乎多个进程是在同时被运行。

但新的问题就又出现了，进程拥有太多的资源，进程的创建、切换、销毁，都会占用很长的时间，CPU 虽然利用起来了，但如果进程过多，CPU 有很大的一部分都被用来进行进程调度了。

怎么才能提高 CPU 的利用率呢？

但是对于 Linux 操作系统来讲，cpu 对进程的态度和线程的态度是一样的。

很明显，CPU 调度切换的是进程和线程。尽管线程看起来很美好，但实际上多线程开发设计会变得更加复杂，要考虑很多同步竞争等问题，如锁、竞争冲突等。

多进程、多线程已经提高了系统的并发能力，但是在当今互联网高并发场景下，为每个任务都创建一个线程是不现实的，因为会消耗大量的内存 (进程虚拟内存会占用 4GB [32 位操作系统]，而线程也要大约 4MB)。

大量的进程 / 线程出现了新的问题

系统线程会占用非常多的内存空间
过多的线程切换会占用大量的系统时间。

而协程刚好可以解决上述2个问题。协程运行在线程之上，当一个协程执行完成后，可以选择主动让出，让另一个协程运行在当前线程之上。并且，协程并没有增加线程数量，只是在线程的基础之上通过分时复用的方式运行多个协程，而且协程的切换在用户态完成，切换的代价比线程从用户态到内核态的代价小很多。

因此我们可以将线程分为 “内核态 “线程和” 用户态 “线程。

一个 “用户态线程” 必须要绑定一个 “内核态线程”，但是 CPU 并不知道有 “用户态线程” 的存在，它只知道它运行的是一个 “内核态线程”。

这样，我们再去细化去分类一下，内核线程依然叫 “线程 ”，用户线程叫 “协程”。

既然一个协程可以绑定一个线程，那么能不能多个协程绑定一个或者多个线程上呢。

于是，Go 为了提供更容易使用的并发方法，使用了 goroutine。goroutine 来自协程的概念，让一组可复用的函数运行在一组线程之上，即使有协程阻塞，该线程的其他协程也可以被 runtime 调度，转移到其他可运行的线程上。最关键的是，程序员看不到这些底层的细节，这就降低了编程的难度，提供了更容易的并发。

三、Goroutine 调度器的 GMP 模型的设计思想

（1）Goroutine主要概念如下：

G（Goroutine）: 即Go协程，每个go关键字都会创建一个协程。
M（Machine）：工作线程，在Go中称为Machine。
P(Processor): 处理器（Go中定义的一个摡念，不是指CPU），包含运行Go代码的必要资源，也有调度goroutine的能力。

在 Go 中，线程是运行 goroutine 的实体，调度器的功能是把可运行的 goroutine 分配到工作线程上。

全局队列（Global Queue）：存放等待运行的 G。
P 的本地队列：同全局队列类似，存放的也是等待运行的 G，存的数量有限，不超过 256 个。新建 G’时，G’优先加入到 P 的本地队列，如果队列满了，则会把本地队列中一半的 G 移动到全局队列。
P 列表：所有的 P 都在程序启动时创建，并保存在数组中，最多有 GOMAXPROCS(可配置) 个。
M：线程想运行任务就得获取 P，从 P 的本地队列获取 G，P 队列为空时，M 也会尝试从全局队列拿一批 G 放到 P 的本地队列，或从其他 P 的本地队列偷一半放到自己 P 的本地队列。M 运行 G，G 执行之后，M 会从 P 获取下一个 G，不断重复下去。

Goroutine 调度器和 OS 调度器是通过 M 结合起来的，每个 M 都代表了 1 个内核线程，OS 调度器负责把内核线程分配到 CPU 的核上执行。

P和M的个数的问题

1、P 的数量：

由启动时环境变量 $GOMAXPROCS 或者是由 runtime 的方法 GOMAXPROCS() 决定。这意味着在程序执行的任意时刻都只有 $GOMAXPROCS 个 goroutine 在同时运行。

2、M 的数量:

go 语言本身的限制：go 程序启动时，会设置 M 的最大数量，默认 10000. 但是内核很难支持这么多的线程数，所以这个限制可以忽略。
runtime/debug 中的 SetMaxThreads 函数，设置 M 的最大数量。
一个 M 阻塞了，会创建新的 M。

M 与 P 的数量没有绝对关系，一个 M 阻塞，P 就会去创建或者切换另一个 M，所以，即使 P 的默认数量是 1，也有可能会创建很多个 M 出来。

P 和 M 何时会被创建

1、P 何时创建：在确定了 P 的最大数量 n 后，运行时系统会根据这个数量创建 n 个 P。

2、M 何时创建：没有足够的 M 来关联 P 并运行其中的可运行的 G。比如所有的 M 此时都阻塞住了，而 P 中还有很多就绪任务，就会去寻找空闲的 M，而没有空闲的，就会去创建新的 M。

（2）调度器的设计策略

复用线程：避免频繁的创建、销毁线程，而是对线程的复用。

当本线程无可运行的 G 时，尝试从其他线程绑定的 P 偷取 G，而不是销毁线程。
当本线程因为 G 进行系统调用阻塞时，线程释放绑定的 P，把 P 转移给其他空闲的线程执行。
在 coroutine 中要等待一个协程主动让出 CPU 才执行下一个协程，在 Go 中，一个 goroutine 最多占用 CPU 10ms，防止其他 goroutine 被饿死，这就是 goroutine 不同于 coroutine 的一个地方。
当 M 执行 work stealing 从其他 P 偷不到 G 时，它可以从全局 G 队列获取 G。

一个协程的具体调度流程

从上图我们可以分析出几个结论：

1、我们通过 go func () 来创建一个 goroutine；

2、有两个存储 G 的队列，一个是局部调度器 P 的本地队列、一个是全局 G 队列。新创建的 G 会先保存在 P 的本地队列中，如果 P 的本地队列已经满了就会保存在全局的队列中；

3、G 只能运行在 M 中，一个 M 必须持有一个 P，M 与 P 是 1：1 的关系。M 会从 P 的本地队列弹出一个可执行状态的 G 来执行，如果 P 的本地队列为空，就会想其他的 MP 组合偷取一个可执行的 G 来执行；

4、一个 M 调度 G 执行的过程是一个循环机制；

5、当 M 执行某一个 G 时候如果发生了 syscall 或则其余阻塞操作，M 会阻塞，如果当前有一些 G 在执行，runtime 会把这个线程 M 从 P 中摘除 (detach)，然后再创建一个新的操作系统的线程 (如果有空闲的线程可用就复用空闲线程) 来服务于这个 P；

6、当 M 系统调用结束时候，这个 G 会尝试获取一个空闲的 P 执行，并放入到这个 P 的本地队列。如果获取不到 P，那么这个线程 M 变成休眠状态，加入到空闲线程中，然后这个 G 会被放入全局队列中。

（3）Go 调度器调度场景过程全解析

（1）P 拥有 G1，M1 获取 P 后开始运行 G1，G1 使用 go func() 创建了 G2，为了局部性 G2 优先加入到 P1 的本地队列。

（2）G1 运行完成后，M 上运行的 goroutine 切换为 G0，G0 负责调度时协程的切换。从 P 的本地队列取 G2，从 G0 切换到 G2，并开始运行 G2 。实现了线程 M1 的复用。

（3）假设每个 P 的本地队列只能存 3 个 G。G2 要创建了 6 个 G，前 3 个 G（G3, G4, G5, G6）已经加入 p1 的本地队列，p1 本地队列满了。

（4） G2 在创建 G7 的时候，发现 P1 的本地队列已满，需要执行负载均衡 (把 P1 中本地队列中前一半的 G，还有新创建 G 转移到全局队列)

（5）G2 创建 G8 时，P1 的本地队列未满，所以 G8 会被加入到 P1 的本地队列。G8 加入到 P1 点本地队列的原因还是因为：G2 创建的新的 G 会优先放置到自己的 M 绑定的 P 上。

（6）规定：在创建 G 时，运行的 G 会尝试唤醒其他空闲的 P 和 M 组合去执行。

假定 G2 唤醒了 M2，M2 绑定了 P2，并运行 G0，但 P2 本地队列没有 G，M2 此时为自旋线程（没有 G 但为运行状态的线程，不断寻找 G）。

（7）M2 尝试从全局队列取一批 G 放到 P2 的本地队列。至少从全局队列取 1 个 G，但每次不要从全局队列移动太多的 G 到 P 本地队列，给其他 P 留点。这是从全局队列到 P 本地队列的负载均衡。

（8）假设 G2 一直在 M1 上运行，经过 2 轮后，M2 已经把 G7、G4 从全局队列获取到了 P2 的本地队列并完成运行，全局队列和 P2 的本地队列都空了，如场景 8 图的左半部分。

全局队列已经没有 G，那 M 就要执行 work stealing (偷取)：从其他有 G 的 P 哪里偷取一半 G 过来，放到自己的 P 本地队列。P2 从 P1 的本地队列尾部取一半的 G，本例中一半则只有 1 个 G8，放到 P2 的本地队列并执行。

（9）如果一个M在长时间内分配不到G的话就会进入休眠状态。

（10）G8 创建了 G9，G8 进行了阻塞的系统调用，M2 和 P2 立即解绑，P2 会执行以下判断：如果 P2 本地队列有 G、全局队列有 G 或有空闲的 M，P2 都会立马唤醒 1 个 M 和它绑定，否则 P2 则会加入到空闲 P 列表，等待 M 来获取可用的 p。本场景中，P2 本地队列有 G9，可以和其他空闲的线程 M5 绑定。

（11）G8 创建了 G9，假如 G8 进行了非阻塞系统调用。 M2 和 P2 会解绑，但 M2 会记住 P2，然后 G8 和 M2 进入系统调用状态。当 G8 和 M2 退出系统调用时，会尝试获取 P2，如果无法获取，则获取空闲的 P，如果依然没有，G8 会被记为可运行状态，并加入到全局队列，M2 因为没有 P 的绑定而变成休眠状态 (长时间休眠等待 GC 回收销毁)。