Go語言併發機制初探
Go 語言相比Java等一個很大的優勢就是可以方便地編寫併發程序。Go 語言內置了 goroutine 機制，使用goroutine可以快速地開發併發程序， 更好的利用多核處理器資源。這篇文章學習 goroutine 的應用及其調度實現。
一、Go語言對併發的支持
使用goroutine編程
使用 go 關鍵字用來創建 goroutine 。將go聲明放到一個需調用的函數之前，在相同地址空間調用運行這個函數，這樣該函數執行時便會作爲一個獨立的併發線程。這種線程在Go語言中稱作goroutine。
goroutine的用法如下：
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因爲 goroutine 在多核 cpu 環境下是並行的。如果代碼塊在多個 goroutine 中執行，我們就實現了代碼並行。
如果需要了解程序的執行情況，怎麼拿到並行的結果呢？需要配合使用channel進行。
使用Channel控制併發
Channels用來同步併發執行的函數並提供它們某種傳值交流的機制。
通過channel傳遞的元素類型、容器（或緩衝區）和傳遞的方向由“<-”操作符指定。
可以使用內置函數 make分配一個channel:
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配置runtime.GOMAXPROCS
使用下面的代碼可以顯式的設置是否使用多核來執行併發任務：
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GOMAXPROCS的數目根據任務量分配就可以，但是不要大於cpu核數。
配置並行執行比較適合適合於CPU密集型、並行度比較高的情景，如果是IO密集型使用多核的化會增加cpu切換帶來的性能損失。
瞭解了Go語言的併發機制，接下來看一下goroutine 機制的具體實現。
二、區別並行與併發
進程、線程與處理器
在現代操作系統中，線程是處理器調度和分配的基本單位，進程則作爲資源擁有的基本單位。每個進程是由私有的虛擬地址空間、代碼、數據和其它各種系統資源組成。線程是進程內部的一個執行單元。 每一個進程至少有一個主執行線程，它無需由用戶去主動創建，是由系統自動創建的。 用戶根據需要在應用程序中創建其它線程，多個線程併發地運行於同一個進程中。
並行與併發
並行與併發（Concurrency and Parallelism）是兩個不同的概念，理解它們對於理解多線程模型非常重要。
在描述程序的併發或者並行時，應該說明從進程或者線程的角度出發。
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併發：一個時間段內有很多的線程或進程在執行，但何時間點上都只有一個在執行，多個線程或進程爭搶時間片輪流執行
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並行：一個時間段和時間點上都有多個線程或進程在執行
非併發的程序只有一個垂直的控制邏輯，在任何時刻，程序只會處在這個控制邏輯的某個位置，也就是順序執行。如果一個程序在某一時刻被多個CPU流水線同時進行處理，那麼我們就說這個程序是以並行的形式在運行。
並行需要硬件支持，單核處理器只能是併發，多核處理器才能做到並行執行。
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併發是並行的必要條件，如果一個程序本身就不是併發的，也就是隻有一個邏輯執行順序，那麼我們不可能讓其被並行處理。
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併發不是並行的充分條件，一個併發的程序，如果只被一個CPU進行處理(通過分時)，那麼它就不是並行的。
舉一個例子，編寫一個最簡單的順序結構程序輸出"Hello World"，它就是非併發的，如果在程序中增加多線程，每個線程打印一個"Hello World"，那麼這個程序就是併發的。如果運行時只給這個程序分配單個CPU，這個併發程序還不是並行的，需要部署在多核處理器上，才能實現程序的並行。
三、幾種不同的多線程模型
用戶線程與內核級線程
線程的實現可以分爲兩類：用戶級線程(User-LevelThread, ULT)和內核級線程(Kemel-LevelThread, KLT)。用戶線程由用戶代碼支持，內核線程由操作系統內核支持。
多線程模型
多線程模型即用戶級線程和內核級線程的不同連接方式。
（1）多對一模型（M : 1）
將多個用戶級線程映射到一個內核級線程，線程管理在用戶空間完成。 此模式中，用戶級線程對操作系統不可見（即透明）。
優點： 這種模型的好處是線程上下文切換都發生在用戶空間，避免的模態切換（mode switch），從而對於性能有積極的影響。
缺點：所有的線程基於一個內核調度實體即內核線程，這意味着只有一個處理器可以被利用，在多處理器環境下這是不能夠被接受的，本質上，用戶線程只解決了併發問題，但是沒有解決並行問題。如果線程因爲 I/O 操作陷入了內核態，內核態線程阻塞等待 I/O 數據，則所有的線程都將會被阻塞，用戶空間也可以使用非阻塞而 I/O，但是不能避免性能及複雜度問題。
（2） 一對一模型（1：1）
將每個用戶級線程映射到一個內核級線程。
每個線程由內核調度器獨立的調度，所以如果一個線程阻塞則不影響其他的線程。
優點：在多核處理器的硬件的支持下，內核空間線程模型支持了真正的並行，當一個線程被阻塞後，允許另一個線程繼續執行，所以併發能力較強。
缺點：每創建一個用戶級線程都需要創建一個內核級線程與其對應，這樣創建線程的開銷比較大，會影響到應用程序的性能。
（3）多對多模型（M : N）
內核線程和用戶線程的數量比爲 M : N，內核用戶空間綜合了前兩種的優點。
這種模型需要內核線程調度器和用戶空間線程調度器相互操作，本質上是多個線程被綁定到了多個內核線程上，這使得大部分的線程上下文切換都發生在用戶空間，而多個內核線程又可以充分利用處理器資源。
四、goroutine機制的調度實現
goroutine機制實現了M : N的線程模型，goroutine機制是協程（coroutine）的一種實現，golang內置的調度器，可以讓多核CPU中每個CPU執行一個協程。
理解goroutine機制的原理，關鍵是理解Go語言scheduler的實現。
調度器是如何工作的
Go語言中支撐整個scheduler實現的主要有4個重要結構，分別是M、G、P、Sched， 前三個定義在runtime.h中，Sched定義在proc.c中。
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Sched結構就是調度器，它維護有存儲M和G的隊列以及調度器的一些狀態信息等。
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M結構是Machine，系統線程，它由操作系統管理的，goroutine就是跑在M之上的；M是一個很大的結構，裏面維護小對象內存cache（mcache）、當前執行的goroutine、隨機數發生器等等非常多的信息。
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P結構是Processor，處理器，它的主要用途就是用來執行goroutine的，它維護了一個goroutine隊列，即runqueue。Processor是讓我們從N:1調度到M:N調度的重要部分。
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G是goroutine實現的核心結構，它包含了棧，指令指針，以及其他對調度goroutine很重要的信息，例如其阻塞的channel。
Processor的數量是在啓動時被設置爲環境變量GOMAXPROCS的值，或者通過運行時調用函數GOMAXPROCS()進行設置。Processor數量固定意味着任意時刻只有GOMAXPROCS個線程在運行go代碼。
參考這篇傳播很廣的博客：http://morsmachine.dk/go-scheduler
我們分別用三角形，矩形和圓形表示Machine Processor和Goroutine。
在單核處理器的場景下，所有goroutine運行在同一個M系統線程中，每一個M系統線程維護一個Processor，任何時刻，一個Processor中只有一個goroutine，其他goroutine在runqueue中等待。一個goroutine運行完自己的時間片後，讓出上下文，回到runqueue中。 多核處理器的場景下，爲了運行goroutines，每個M系統線程會持有一個Processor。
在正常情況下，scheduler會按照上面的流程進行調度，但是線程會發生阻塞等情況，看一下goroutine對線程阻塞等的處理。
線程阻塞
當正在運行的goroutine阻塞的時候，例如進行系統調用，會再創建一個系統線程（M1），當前的M線程放棄了它的Processor，P轉到新的線程中去運行。
runqueue執行完成
當其中一個Processor的runqueue爲空，沒有goroutine可以調度。它會從另外一個上下文偷取一半的goroutine。
五、對併發實現的進一步思考
Go語言的併發機制還有很多值得探討的，比如Go語言和Scala併發實現的不同，Golang CSP 和Actor模型的對比等。
瞭解併發機制的這些實現，可以幫助我們更好的進行併發程序的開發，實現性能的最優化。
關於三種多線程模型，可以關注一下Java語言的實現。
我們知道Java通過JVM封裝了底層操作系統的差異，而不同的操作系統可能使用不同的線程模型，例如Linux和windows可能使用了一對一模型，solaris和unix某些版本可能使用多對多模型。JVM規範裏沒有規定多線程模型的具體實現，1:1（內核線程）、N:1（用戶態線程）、M:N（混合）模型的任何一種都可以。談到Java語言的多線程模型，需要針對具體JVM實現，比如Oracle/Sun的HotSpot VM，默認使用1:1線程模型。
參考鏈接
http://www.infoq.com/cn/articles/knowledge-behind-goroutine
http://jolestar.com/parallel-programming-model-thread-goroutine-actor/