入门参考：从Go中的协程理解串行和并行

Go语言的设计亮点之一就是原生实现了协程，并优化了协程的使用方式。使得用Go来处理高并发问题变得更加简单。今天我们来看一下Go中的协程。

从串行到并行

在处理器还是单个单核的时候，这个时候并不存在并行，因为只有一个处理器。所以那时候的编程都是串行编程。程序执行都是从头顺序执行到尾。到了多处理器多核的时代，为了充分利用处理器的处理能力，开始出现了并发编程。开发者开始在进程中启用多个线程来执行操作，利用CPU的调度能力来最大化程序处理效率。

并发，并行

在说到并发编程的时候总会遇到这两个概念，面试的时候也会问道，在这里就简单说一下这两者的区别：

并发是一种能力，是指多个任务在一段时间内同时发生。 并行值得是多个任务同时发生，就是并行。

并发值得是并行的能力，并发不一定是同时发生，可能是同一时间段内交替发生。

进程，线程，协程

进程和线程是操作系统的基本概念：

进程：指计算机中已运行的程序，进程是程序的基本执行实体。 线程：是操作系统能够进行运算调度的最小单位。它被包含在进程中，是进程的实际运行单位。

那么协程是在线程之上，更加轻量级的设计。协程因为只工作在用户控件，没有线程上下文切换带来的消耗。协程的调度由用户手动切换，所以更加灵活。

协程的另一大优势就是因为在用户空间调度，所以不会出现代码执行一半被强制中断，所以无需原子操作锁。

Go中的协程

在Go中使用协程非常简单，就使用go关键字就可以了。我们来看一段串行代码使用协程如何进行操作：

package main

import (
    "fmt"
    "time"
)

func main(){
    print1To10()
}

func print1To10(){
    for i := 1; i<=10; i++{
        fmt.Printf("%d ", i)
    }
}

// 输出
// 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 

那么使用协程，我们来看一下运行结果：

package main

import (
    "fmt"
    "time"
)

func main(){
    fmt.Println("before go coroutine")
    go print1To10()
    fmt.Println("after go coroutine")
    time.Sleep(100 * time.Millisecond) //防止主协程直接结束了，打印协程还没来得及执行
}

func print1To10(){
    for i := 1; i<=10; i++{
        fmt.Printf("%d ", i)
    }
}

// 输出
/***********
before go coroutine
after go coroutine
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 
*************/

我们可以看出使用go关键词后，打印并不是按照顺序串行执行的，而是在主协程执行结束后，打印协程才开始执行。

Go协程的调度机制

Go中的协程调度模型是G-P-M模型：

G代表Goroutine，也就是Go中的协程对象。 P代表Processor，代表虚拟的处理器。一般来说，和逻辑核一一对应。 M代表Machine,实际上是操作系统的线程。

image.png

这里我们简单说一下Go的调度机制，感兴趣或者有了解的可以自行看Go的源码：

1. 在Go程序启动时，会给每个逻辑核分配一个P（虚拟处理器）
2. 同时，Go会创建一个主协程G，来执行程序。新创建的G会被放到LRQ（P上的本地G队列）或者GRQ（全局G队列）。
3. 给P分配一个M（内核线程），这些M由OS Scheduler调度而非Go Scheduler调度。M用来运行G
4. P会尽可能获取G来运行，当没有G运行后，会销毁并重新进入调度

其中第4条 尽可能获取G 则是Go的有趣的设计理念之一，当一个 P 发现自己的 LRQ 已经没有 G 时，会从其他 P “偷” 一些 G 来运行。看看这是什么精神！自己的工作做完了，为了全局的利益，主动为别人分担。这被称为 Work-stealing。

再看串行和并行

这里我们以Go协程来继续说一下串行和并行，对于习惯于串行编程的程序员来说，理解并行可能稍微需要点时间，对于程序设计来说，并行的设计主要是为了提高程序运行的效率，使得程序能够充分利用多核多处理器的资源（或者多机器）。那么对于如何充分利用，大部分支持并行编程的语言都有其内部的调度机制，即使没有，也会使用系统的调度机制--线程调度。

那么对于并行调度机制总体上分为两类：协作式和抢占式

协作式：一个任务得到了 CPU 时间，除非它自己放弃使用 CPU ，否则将完全霸占 CPU ，所以任务之间需要协作使用一段时间的 CPU ，放弃使用，其它的任务也如此，才能保证系统的正常运行。如果有一个任务死锁，则系统也同样死锁。 抢占式：总控制权在操作系统手中，操作系统会轮流询问每一个任务是否需要使用 CPU ，需要使用的话就让它用，不过在一定时间后，操作系统会剥夺当前任务的 CPU 使用权，把它排在询问队列的最后，再去询问下一个任务。如果有一个任务死锁，系统仍能正常运行。

在 Go1.1 版本中，调度器还不支持抢占式调度，只能依靠 goroutine 主动让出 CPU 资源，存在非常严重的调度问题。

Go1.12 中编译器在特定时机插入函数，通过函数调用作为入口触发抢占，实现了协作式的抢占式调度。但是这种需要函数调用主动配合的调度方式存在一些边缘情况。

后面Go在1.14版本实现了基于信号的真抢占式调度。用于解决解决了垃圾回收和栈扫描时存在的问题。

Go的协程调度目前虽然不能称得上完美，但是对于我们理解并行有一定的帮助。所谓并行编程，就是开启多个任务而不用等待任务结果。可以使得相互独立的任务同时运行，比如文件写入等。