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Go語言的巨大潛力有目共睹，今天我們來學習Go語言的Goroutine機制，這也可能是Go語言最為吸引人的特性了，理解它對於掌握Go語言大有裨益，話不多說開始吧！
通過本文你將瞭解到以下內容：
什麼是協程以及橫向對比優勢
Go語言的Goroutine機制底層原理和特點
聊聊協程
大家對於進程、線程二位明星都很熟悉，但協程就沒有火了，是協程不是攜程哦！
協程並不是Go語言特有的機制，相反像Lua、Ruby、Python、Kotlin、C/C++等也都有協程的支持，區別在於有的是從語言層面支持、有的通過插件類庫支持。Go語言是原生語言層面支持，本文也是從Go角度去理解協程。
1.1 協程基本概念和提出者
協程英文是Coroutine譯為協同程序，我們來看下維基百科對Coroutine的介紹：
Coroutines are computer program components that generalize subroutines for non-preemptive multitasking, by allowing execution to be suspended and resumed.
Coroutines are well-suited for implementing familiar program components such as cooperative tasks, exceptions, event loops, iterators, infinite lists and pipes.
According to Donald Knuth, Melvin Conway coined the term coroutine in 1958 when he applied it to construction of an assembly program.The first published explanation of the coroutine appeared later, in 1963.
簡單翻譯一下：
協同程序是一種計算機程序組件，它允許暫停和恢復執行，從而可以作為通用化的非搶佔式多任務處理子程序。
協同程序非常適合實現例如協作任務、異常、事件循環、迭代器、管道等熟悉的程序組件。
根據唐納德·克努特的說法，梅爾文·康威在1958年將Coroutine這個術語應用於裝配程序的構建，直到在1963年才首次發表了闡述Coroutine的論文。
協程的提出者梅爾文·愛德華·康威是一位計算機科學家，除了協程之外他還創造了Conway's Law康威定律，他基於社會學觀察提出了系統設計的一些觀點，本文就不展開了，感興趣的可以看下作者的論文How Do Committees Invent?：
http://www.melconway.com/Home/Committees_Paper.html
1.2 協程和進線程的對比
我們來複習一下進線程和協程的一些基本特點吧:
進程是系統資源分配的最小單位, 進程包括文本段text region、數據段data region和堆棧段stack region等。進程的創建和銷燬都是系統資源級別的，因此是一種比較昂貴的操作，進程是搶佔式調度其有三個狀態:等待態、就緒態、運行態。進程之間是相互隔離的，它們各自擁有自己的系統資源, 更加安全但是也存在進程間通信不便的問題。
進程是線程的載體容器，多個線程除了共享進程的資源還擁有自己的一少部分獨立的資源，因此相比進程而言更加輕量，進程內的多個線程間的通信比進程容易，但是也同樣帶來了同步和互斥的問題和線程安全問題，儘管如此多線程編程仍然是當前服務端編程的主流，線程也是CPU調度的最小單位，多線程運行時就存在線程切換問題，其狀態轉移如圖：
協程在有的資料中稱為微線程或者用戶態輕量級線程，協程調度不需要內核參與而是完全由用戶態程序來決定，因此協程對於系統而言是無感知的。協程由用戶態控制就不存在搶佔式調度那樣強制的CPU控制權切換到其他進線程，多個協程進行協作式調度，協程自己主動把控制權轉讓出去之後，其他協程才能被執行到，這樣就避免了系統切換開銷提高了CPU的使用效率。
搶佔式調度和協作式調度的簡單對比：
看到這裡我們不免去想：看著協作式調度優點更多，那麼為什麼一直是搶佔式調度佔上風呢？讓我們繼續一起學習，可能就能解答這個問題了。
1.3 實際工作中的我們
我們寫程序的時經常需要考慮的因素就是提高機器使用率，這個非常好理解。當然機器使用率和開發效率維護成本往往存在權衡，說句大白話就是：要麼費人力要麼費機器，選一個吧！
機器成本里面最貴的就是CPU了，程序一般分為CPU密集型和IO密集型，對於CPU密集型我們的優化空間可能沒那麼多，但對於IO密集型卻有非常大的優化空間，試想我們的程序總是處於IO等待中讓CPU呼呼睡大覺，那該多糟糕。
為了提高IO密集型程序的CPU使用率，我們嘗試多進程/多線程編程等讓多個任務一起跑分時複用搶佔式調度，這樣提高了CPU的利用率，但由於多個進線程存在調度切換，這也有一定的資源消耗，因此進線程數量不可能無限增大。
我們現在寫的程序大部分都是同步IO的，效率還不夠高，因此出現了一些異步IO框架，但是異步框架的編程難度比同步框架要大，但不可否認異步是一個很好的優化方向，先不要暈，來看下同步IO和異步IO就知道了：
同步是指應用程序發起I/O請求後需要等待或者輪詢內核I/O操作完成後才能繼續執行，異步是指應用程序發起I/O請求後仍繼續執行，當內核I/O操作完成後會通知應用程序或者調用應用程序註冊的回調函數。
我們以C/C++開發的服務端程序為例，Linux的異步IO出現的比較晚，因此像epoll之類的IO複用技術仍然有相當大的地盤，但是同步IO的效率畢竟不如異步IO，因此當前的優化方向包括：異步IO框架(像boost.asio框架)和協程方案(騰訊libco)。
Go和協程
我們知道協程是Coroutine，Go語言在語言層面對協程進行了原生支持並且稱之為Goroutine，這也是Go語言強大併發能力的重要支撐，Go的CSP併發模型是通過Goroutine和channel來實現的，後續會專門寫一下CSP併發模型。
2.1 協作式調度和調度器
協作式調度中用戶態協程會主動讓出CPU控制權來讓其他協程使用，確實提高了CPU的使用率，但是不由得去思考用戶態協程不夠智能怎麼辦？不知道何時讓出控制權也不知道何時恢復執行。
讀到這裡忽然明白了搶佔式調度的優勢了，在搶佔式調度中都是由系統內核來完成的，用戶態不需要參與，並且內核參與使得平臺移植好，說到底還是各有千秋啊！
為了解決這個問題我們需要一箇中間層來調度這些協程，這樣才能讓用戶態的成千上萬個協程穩定有序地跑起來，我們姑且把這個中間層稱為用戶態協程調度器吧！
2.2 Goroutine和Go的調度器模型
Go語言從2007年底開發直到今天已經發展了12年，Go的調度器也不是一蹴而就的，在最初的幾個版本中Go的調度器也非常簡陋，無法支撐大併發。
經過多個版本的迭代和優化，目前已經有很優異的性能了，不過我們還是來回顧一下Go調度器的發展歷程(詳見參考一)：
Go的調度器非常複雜，篇幅所限本文只提一些基本的概念和原理，後續會深入去展開Go的調度器。
最近幾個版本的Go調度器採用GPM模型，其中有幾個概念先看下：
GPM模型使用一種M:N的調度器來調度任意數量的協程運行於任意數量的系統線程中，從而保證了上下文切換的速度並且利用多核，但是增加了調度器的複雜度。
來看兩張圖來進一步理解一下：
整個GPM調度的簡單過程如下：
新創建的Goroutine會先存放在Global全局隊列中，等待Go調度器進行調度，隨後Goroutine被分配給其中的一個邏輯處理器P，並放到這個邏輯處理器對應的Local本地運行隊列中，最終等待被邏輯處理器P執行即可。
在M與P綁定後，M會不斷從P的Local隊列中無鎖地取出G，並切換到G的堆棧執行，當P的Local隊列中沒有G時，再從Global隊列中獲取一個G，當Global隊列中也沒有待運行的G時，則嘗試從其它的P竊取部分G來執行相當於P之間的負載均衡。
Goroutine在整個生存期也存在不同的狀態切換，主要的有以下幾種狀態：
畫個狀態圖看下：
巨人的肩膀
https://draveness.me/golang/docs/part3-runtime/ch06-concurrency/golang-goroutine/
- https://www.flysnow.org/2017/04/11/go-in-action-go-goroutine.html
https://segmentfault.com/a/1190000018150987
https://tiancaiamao.gitbooks.io/go-internals/content/zh/05.2.html
https://wudaijun.com/2018/01/go-scheduler/
https://zhuanlan.zhihu.com/p/77620605
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