Go并发编程1-并发模型

Go语言并发深入解析

最新推荐文章于 2024-08-25 23:08:41 发布

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本文深入探讨了Go语言的并发模型，从多核CPU的概念出发，介绍了进程与线程的区别，详细阐述了并行与并发的特性。文章进一步讲解了Go语言的调度器原理，包括非抢占式多任务处理机制，以及MPG模型如何实现高效的并发编程。

文章目录

一. 并发概念
二. Go调度器
三. MPG模型

一. 并发概念

1. 多核CPU

单核CPU主频接近4GHz时遇到瓶颈(能耗和散热),所以2005年4月Intel推出第一次双核奔腾CPU。
多核CPU就是在一枚处理器中集成两个或以上计算引擎(内核),以线程方式执行多任务。
单芯片多处理器即CMP,他分为同构和异构两类，异构如CPU和GPU的组合。
CMP通过总线共享的Cache结构或片上的互连结构进行数据共享与同步，如下图：

查看CPU

# 查看CPU信息（Linux）
$ cat /proc/cpuinfo

# 查看CPU信息（Mac）
$ sysctl machdep.cpu|grep count

CPU参考实例：

  型号名称：	MacBook Pro
  型号标识符：	MacBookPro14,1
  处理器名称：	Intel Core i5
  处理器速度：	2.3 GHz
  处理器数目：	1
  核总数：	2
  L2 缓存（每个核）：	256 KB
  L3 缓存：	4 MB
  内存：    8 GB
  Boot ROM 版本：	MBP141.0173.B00
  SMC 版本（系统）：	2.43f6
  序列号（系统）：    FVFXR5KXXXXX
  硬件 UUID：	D1589F05-DF5C-5BEF-9943-XXXXXXXXXX

2. 进程与线程

进程：资源分配的最小单位，进程由控制块(PCB)、程序和数据组成，生命周期：执行-就绪-阻塞。
线程：cpu调度的最小单位 ，由进程创建，继承了进程的部分资源，具有进程的一些基本特征。

3. 并行与并发

并行(parallelism)：多个处理器上同时执行,同时刻。
并发(concurrency)：同一处理器上轮转执行¹,同时段。

4. 串行与并发

串行执行： 顺序执行,资源独占, 速度无关,结果确定
并发执行： 无封闭性,不可再现, 相互制约,结果不定

5. 多核的利弊

利：带来了CPU性能的提升，增强了用户体验
弊：核数过多,对并发程序的编写、调试等造成困难,造成可编程性困扰。

二. Go调度器

1. 基础知识：

Golang并发是基于函数的，即让某个函数独立运行的能力。
Golang并发基于非抢占式多任务处理，由协程主动交出控制权。
runtime.NumCPU()是通过超线程技术获取的本机逻辑CPU数量。
Go1.5+默认的GOMAXPROCS为runtime.NumCPU()，适合cpu计算密集型。

2. runtime调度器：

成员	说明
`GOARCH`	CPU架构,如x386、amd64、arm等
`GOOS`	操作系统架构,如darwin, linux等
`GOROOT()`	goroot目录
`NumGoroutine()`	协程数(包含主协程)
`NumCPU()`	逻辑cpu数
`GOMAXPROCS(n)`	设置获取硬件线程数
`GC()`	垃圾回收
`ReadMemStats(&info)`	统计内存
`Gosched()`	暂停当前协程
`Goexit()`	终止当前协程

示例1: 测试GOMAXPROCS

func sum(id int) {
   var x int64
   for i := 0; i < math.MaxUint32; i++ {
      x += int64(i)
   }
   println(id, x)
}

func main() {
   wg := new(sync.WaitGroup)
   wg.Add(2)
   for i := 0; i < 2; i++ {
      go func(id int) {
         defer wg.Done()
         sum(id)
      }(i)
   }
   wg.Wait()
}

GOMAXPROCS=2  time -p go run main.go 
0 9223372030412324865
1 9223372030412324865
real         1.72 // 程序开始到结束时间差 (非 CPU 时间) 
user         3.20 // ⽤用户态所使⽤用 CPU 时间片 (多核累加)
sys          0.09 // 内核态所使⽤用 CPU 时间片

调整GOMAXPROCS参数，观察real结果。

示例2: 直观感受调度器调度过程

// 模拟时间片
func main() {
   //修改参数值，观察打印结果的离散度
   runtime.GOMAXPROCS(4)  
   foo := func(n int) {
      for {
         fmt.Print(n)
      }
   }
   go foo(0)
   go foo(1)
   time.Sleep(time.Second * 5)
   fmt.Println("~~~Done~~~")
}

示例3: 退出子协程:runtime.Goexit将立即终止当前goroutine执行，调度器确保所有已注册defer延迟调用被执行。

func main() {
   wg := new(sync.WaitGroup)
   wg.Add(1)
   go func() {
      defer wg.Done()
      defer println("A.defer")
      func() {
         defer println("B.defer")
         runtime.Goexit()
         println("B")
      }()
      println("A")
   }()
   wg.Wait()
}

示例4: 暂停子协程：runtime.Gosched让出底层线程，将当前goroutine暂停，放回队列等待下次被调度执行。

func main() {
   wg := new(sync.WaitGroup)
   wg.Add(2)
   go func() {
      defer wg.Done()
      println("Hello, World!")
   }()

   func() {
      defer wg.Done()
      for i := 0; i < 6; i++ {
         println(i)
         if i == 3 {
            runtime.Gosched()
         }
      }
   }()
   wg.Wait()
}

三. MPG模型

Go语言以 CSP(communicating sequential processes) 为并发模型。不同于传统的多线程通过共享内存来通信，CSP是**“以通信的方式来共享内存”**,
即 “不要以共享内存的方式来通信，相反，要通过通信来共享内存” 。

Do not communicate by sharing memory; instead, share memory by communicating.

Go语言使用MPG模式来实现CSP，在传统的并发中起很多线程只会加大CPU和内存的开销，太多的线程会大量的消耗计算机硬件资源，造成并发量的瓶颈。

M指的是“Machine”，一个M直接关联了一个内核线程。
P指的是”processor”，代表了M所需的上下文环境，也是处理用户级代码逻辑的处理器。
G指的是”Goroutine“，其实本质上也是一种轻量级的线程(逻辑态线程)。

在这里插入图片描述
M关联了一个内核线程，通过调度器P（上下文）的调度，可以连接1个或者多个G,相当于把一个内核线程切分成了了N个用户线程，M和P是一对一关系(但是实际调度中关系多
变)，通过P调度N个G（P和G是一对多关系），实现内核线程和G的多对多关系（M:N）,通过这个方式, 一个内核线程就可以起N个Goroutine，同样硬件配置的机器可用的用
户线程就成几何级增长，并发性大幅提高。

参考：
https://blog.youkuaiyun.com/erlib/article/details/50264271
https://studygolang.com/articles/10099
https://www.jianshu.com/p/8aa03db51043
https://www.jianshu.com/p/ff8e8be262ac
https://blog.haohtml.com/archives/18352

出让时间片或控制权轮转执行 ↩︎