go语言八股-优快云博客

1、参考csdn博客
 2、Go高质量面试题

1、进程、线程、协程

进程：

process
进程是资源分配的基本单位，包括内存、文件描述符等。是计算机运行程序的一个独立单位。每个进程具有自己独立的内存空间，进程之间不能直接访问彼此的数据。

线程：

thread
cpu调度的基本单位，一个进程可以包含多个线程，线程除了有一些自己的必要的堆栈空间之外，其他资源都是共享线程中的，共享的资源包括：

所有线程共享相同的虚拟地址空间，即它们可以访问同样的代码段、数据段和堆栈段
文件描述符：进程打开的文件描述符进程级别的资源，所以同一个进程中的线程可以共享打开的文件描述符，意味着它们可以同时读写同一个文件
全局变量：全局变量是进程级别的变量，可被同一个进程中的所有线程访问和修改
静态变量：静态变量也是进程级别的变量，在同一个进程中的线程之间共享内存空间
进程id、进程组id

独占的资源：

线程id
寄存器组的值
线程堆栈
错误返回码
信号屏蔽码
线程的优先级

协程：

用户态的线程，可以通过用户程序创建、删除。协程切换时不需要切换内核态 ，上下文切换的开销比线程和进程更小。协程是用户态的轻量级线程，允许在程序中执行非阻塞操作。

协程与线程的区别

线程是操作系统的概念，而协程是程序级的概念。线程由操作系统调度执行，每个线程都有自己的执行上下文，包括程序计数器、寄存器等。而协程由程序自身控制。
多个线程之间通过切换执行的方式实现并发。线程切换时需要保存和恢复上下文，涉及到上下文切换的开销。而协程切换时不需要操作系统的介入，只需保存和恢复自身的上下文，切换开销较小。
线程是抢占式的并发，即操作系统可以随时剥夺一个线程的执行权。而协程是合作式的并发，协程的执行权由程序自身决定，只有当协程主动让出执行权时，其他协程才会得到执行机会。

线程的优点：

创建一个新线程的代价要比创建一个新进程小的多
线程之间的切换相较于进程之间的切换需要操作系统做的工作很少
线程占用的资源要比进程少很多
能充分利用多处理器的可并行数量

线程的缺点

共享内存带来的安全性问题、缺乏隔离性、复杂的同步机制、调试困难等

有栈协程和无栈协程

有栈协程为每个协程分配独立的堆栈。同一协程的局部变量存储在这个堆栈上。切换协程时，需要保存当前协程的堆栈上下文，恢复目标协程的堆栈上下文。这意味着在切换时需要一定的开销（保存和恢复堆栈信息），但不涉及操作系统内核。Go语言中的有栈协程：goroutines
无栈协程不为每个协程单独分配堆栈，而是将局部变量和协程状态保存在共享的堆中。切换时通过某种状态机制进行，而无需显式的上下文切换。JavaScript中的无栈协程async/await，用于异步编程，状态机来管理，await中断当前执行，把上下文存储在公共内存中，后续某个点时继续。

2、Go语言–垃圾回收

GC-垃圾回收-Garbage Collection
在这里插入图片描述

（1）Go v1.3之前的标记-清除：

1、暂停业务逻辑，找到不可达的对象，和可达对象
2、开始标记，程序找出它所有可达的对象，并做上标记
3、标记完了之后，然后开始清除未标记的对象
4、停止暂停，让程序继续跑。然后循环重复这个过程，直到process程序生命周期结束

标记-清除的缺点：

1、STW(stop the world）：在标记和清除过程中，程序会暂停所有的正常执行操作，对于实时系统会出现短暂的应用卡顿
2、标记需要扫描整个heap（堆，内存空间），查看每一个对象是否仍可被程序引用，在大型应用程序中，这个过程可能会耗费大量时间资源
3、清除数据会产生heap碎片：在清除阶段，已标记为无需保留的对象会被去掉，留下的不连续的内存空间称为碎片。如果堆中碎片过多，可能造成内存分配效率低，尤其是下一次需要分配大块内存时。
为了减少STW的时间，对“标记-清除”中的第三步和第四步进行了替换。

（2）Go v1.5 三色标记法

**白色：**未被访问的对象【待回收】
灰色：已被访问但其引用尚未被完全扫描的对象【正在检查】
黑色：已被访问且其所有引用都已被扫描的对象【不可回收】

1、把新创建的对象，默认的颜色都标记为“白色”
在这里插入图片描述
2、每次GC回收开始，然后从根节点开始遍历所有对象，把遍历到的对象从白色集合放入“灰色”集合

3、遍历灰色集合，将灰色对象引用的对象从白色集合放入灰色集合，之后将此灰色对象放入到黑色集合

在这里插入图片描述
4、重复第三步，直到灰色无任何对象

5、回收所有的白色标记的对象，回收垃圾

三色标记法不采用STW时可能出现的问题：

需同时满足如下条件：
1、白色对象被黑色对象引用：
如果在标记期间，程序动态地创建了指向白色对象的新引用，而白色对象被黑色对象引用，可能没有被标记为灰色，这个白色对象就不被视为可达对象，从而可能错误地被回收
2、灰色对象对白色对象的引用丢失
一个仍然存在的对象但因引用关系错变而被错误地标记为白色，进而被回收的错误
在这里插入图片描述
这两种情况同时满足，会出现对象丢失

强三色不变式

定义：黑色对象不能直接引用白色对象，只能通过灰色对象间接引用白色对象
本质：保证了黑色对象和白色对象之间必须有灰色对象作为“中间人”

弱三色不变式

定义：所有被黑色对象引用的白色对象，必须直接或间接地被某个灰色对象引用
本质：保证了从根对象出发，能够访问所有活跃的对象

屏障

插入屏障
工作原理：当程序中一个已经确认保留的对象（黑色）引用了一个可能被回收的对象（白色）时，系统会立即将那个白色对象标记为“需要再检查”（灰色），这样就不会错误地回收它。
适用范围：只在内存的“堆”区域自动工作，但在“栈”区域不会自动触发。
额外措施：在真正开始回收前，系统会专门再检查一次栈空间中的所有对象，并暂停程序运行（STW），确保没有遗漏任何不该回收的对象
删除屏障：当程序中删除了某个对象的引用时，如果失去引用的对象是灰色或白色的，系统会将它标记为灰色。这确保了这个对象会被重新检查，不会因为失去某个引用而被错误回收。
不足：即使某个对象失去了所有引用（实际上已成为垃圾），但它仍然会被标记为灰色，而灰色对象在当前这轮GC中是不会被回收的。

（3）Go v1.8的三色标记法+混合写屏障机制

初始状态：所有对象的初始状态都是白色（包括栈上和堆上的所有对象）
[1] GC开始将栈上的可达对象全部扫描并标记为黑色（之后不再进行第二次重复扫描，无需STW）
[2] GC期间，任何在栈上创建的新对象，均为黑色
[3] 堆上被删除对象标记为灰色
[4] 堆上被添加的对象标记为灰色

GC垃圾收集的多个阶段

第一阶段：准备打扫（标记准备阶段）

安排一位打扫人员准备工作（启动后台标记任务）
短暂地请所有人停止活动，暂时"冻结现场"（STW暂停程序）
-如果这次是特别要求的大扫除，先处理上次没清理完的区域（如果当前垃圾收集循环是强制触发的，我们还需要处理还未被清理的内存管理单元；）
记下所有明显应该保留的物品，比如你手中的、桌上正在用的东西（将根对象入队）
安装监控系统，记录接下来物品的挪动情况（开启写屏障）

第二阶段：边用边打扫（标记阶段）

让大家继续正常活动（恢复用户协程）
打扫人员开始工作，用三种标签标记物品（使用三色标记法开始标记，此时用户协程和标记协程并发执行）：
白色：可能是垃圾
灰色：正在检查
黑色：确定要保留
重要的是，在这个阶段你可以继续使用房间，而打扫人员会同时工作

第三阶段：确认标记完成（标记终止阶段）

再次短暂请大家停止活动（暂停用户协程）
计算下次什么时候需要再次打扫（计算下一次GC触发时机）
叫醒负责清理的工作人员（唤醒后台清扫协程）

第四阶段：实际清理（清理阶段）

关闭监控系统（关闭写屏障）
让大家继续正常活动（恢复用户协程）
清理人员悄悄地、渐进地把所有没标记保留的物品（白色物品）清理掉，这个过程不影响大家正常使用房间（异步清理回收）

根对象
**根对象(root object)**是指那些能够从全局可达的地方访问到的对象。垃圾回收器会从根对象开始，再遍历根对象的引用关系，逐步追踪并标记所有可达的对象。任何未被标记的对象都会被认为是垃圾，最终被回收释放。
[1] 全局变量

// 全局变量作为根对象的例子
var globalCache = make(map[string]*UserData)

type UserData struct {
    Name string
    Age  int
    // 其他字段...
}

func main() {
    // 即使没有其他引用，这个对象也不会被回收
    // 因为它可以从全局变量访问到
    globalCache["user1"] = &UserData{Name: "张三", Age: 30}
    
    // 这里即使调用了GC也不会回收globalCache中的对象
    runtime.GC()
}

[2]当前正在执行的函数的局部变量

func processUser() {
    // 局部变量作为当前函数的根对象
    userData := &UserData{Name: "李四", Age: 25}
    
    // userData在函数内可访问，是当前函数的根对象
    fmt.Println(userData.Name) 
    
    // 函数结束后，userData不再是根对象
    // 如果没有其他引用，它将被回收
}

[3]当前正在执行的 goroutine 的栈中的变量

func main() {
    // 启动一个goroutine
    go func() {
        // 这个userData对象在goroutine栈中
        // 是这个goroutine的根对象
        userData := &UserData{Name: "王五", Age: 40}
        
        // 只要goroutine还在运行，这个对象就不会被回收
        time.Sleep(10 * time.Second)
        fmt.Println(userData.Name)
    }()
    
    // 主程序继续执行
    time.Sleep(20 * time.Second)
}

[4]其他和运行时系统相关的数据结构和变量

三色标记法的缺点：会让程序偶尔卡顿，消耗额外内存，在大量垃圾时效率下降，并可能导致内存变得“七零八落”不好利用。

3、GC的触发条件

主动触发（手动触发）：通过调用runtime.GC来触发GC，此调用阻塞式地等待当前GC运行完毕

package main

import (
    "fmt"
    "runtime"
    "time"
)

func main() {
    // 创建一些垃圾数据
    for i := 0; i < 10000; i++ {
        _ = make([]byte, 1024)
    }
    
    fmt.Println("手动触发GC前的内存统计:")
    printMemStats()
    
    // 手动触发GC
    fmt.Println("手动触发GC...")
    runtime.GC()
    
    fmt.Println("手动触发GC后的内存统计:")
    printMemStats()
}

func printMemStats() {
    var m runtime.MemStats
    runtime.ReadMemStats(&m)
    fmt.Printf("系统分配的内存: %v KB\n", m.Sys/1024)
    fmt.Printf("已使用的内存: %v KB\n", m.Alloc/1024)
    fmt.Printf("累计分配的内存: %v KB\n", m.TotalAlloc/1024)
    fmt.Printf("GC执行次数: %v\n", m.NumGC)
    fmt.Println()
}

被动触发
[1]步调(pacing）算法
控制内存增长的比例，每次内存分配时检查当前内存分配量是否已经达到阈值（环境变量GOGC）:默认100%，即当内存扩大一倍时启动GC
[2]系统监控
当超过两分钟没有产生任何GC时，强制触发GC

4、GC调优

控制内存分配速度和Goroutine 数量
少量使用“+”连接字符串。每次"+"连接，go都会创建一个全新的字符串，而不是在原有基础上添加。使用strings.Builder代替“+”连接

package main

import (
	"fmt"
	"strings"
	"time"
)

func main() {
	// 低效方式：使用+连接
	start := time.Now()
	result := ""
	for i := 0; i < 10000; i++ {
		result += "a"
	}
	fmt.Printf("使用+连接耗时: %v\n", time.Since(start))

	// 高效方式：使用strings.Builder
	start = time.Now()
	var builder strings.Builder
	for i := 0; i < 10000; i++ {
		builder.WriteString("a")
	}
	result = builder.String()
	fmt.Printf("使用Builder耗时: %v\n", time.Since(start))
}

使用+连接耗时: 10.500625ms
使用Builder耗时: 73.667µs

3.slice提前分配内存
4.避免map key对象过多
5.变量复用，减少对象分配
6.增大GOGC的值

5、GMP调度和CSP模型

CSP模型是”以通信的方式来共享内存“，不同于传统的多线程通过共享内存来通信。用于描述两个独立的并发实体通过共享的通讯channel来进行通信的并发模型。用“传纸条”代替“共用笔记本”
GMP调度
G:goroutine，go的协程，每个go关键字都会创建一个协程，”工人“
M:machine，工作线程，数量对应真实的cpu数，”机器“
P:process，包含运行go代码所需的必要资源，用来调度G和M之间的关联关系，其数量可以通过GOMAXPROCS来设置，默认为核心数，”工作台“

线程想运行任务就得获取 P，从 P 的本地队列获取 G，当 P 的本地队列为空时，M 也会尝试从全局队列或其他 P 的本地队列获取 G。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。如下图：在这里插入图片描述

go语言运行时（runtime)系统中GMP调度模型的核心数据结构

[1]G 结构体 - Goroutine（工人）

type g struct {
    goid int64          // 唯一的goroutine的ID
    sched gobuf         // goroutine切换时，用于保存g的上下文
    stack stack         // 栈
    gopc               // 创建这个goroutine的go语句的程序计数器位置
    startpc uintptr     // goroutine函数的程序计数器位置
    // ...其他字段省略...
}

[2] P 结构体 - Processor（工作台）

type p struct {
    lock mutex
    id int32
    status uint32       // 工作台状态：空闲/运行中/...
    runqhead uint32     // 本地队列队头
    runqtail uint32     // 本地队列队尾
    runq [256]guintptr  // 本地队列，固定大小为256的数组
    runnext guintptr    // 下一个优先执行的goroutine
    // ...其他字段省略...
}

[3] M 结构体 - Machine（机器）

type m struct {
    g0 *g       // 每个M都有一个自己的G0
    curg *g     // 当前正在执行的G
    // ...其他字段省略...
}

[4] 全局调度器结构体

type schedt struct {
    runq gQueue    // 全局队列，链表（长度无限制）
    runqsize int32 // 全局队列长度
    // ...其他字段省略...
}

[5] Goroutine上下文结构体

type gobuf struct {
    sp uintptr    // 保存CPU的rsp寄存器的值
    pc uintptr    // 保存CPU的rip寄存器的值
    g guintptr    // 记录当前这个gobuf对象属于哪个Goroutine
    ret sys.Uintreg // 保存系统调用的返回值
    // ...其他字段省略...
}

Goroutine调度策略

队列轮转：P会周期性的将G调度到M中执行，执行一段时间后，保存上下文，将G放到队列尾部，然后从队列中再取出一个G进行调度，P还会周期性的查看全局队列是否有G等待调度到M中执行
系统调用：当G0即将进入系统调用时，M0将释放P，进而某个空闲的M1获取P，继续执行P队列中剩下的G。M1的来源有可能是M的缓冲池，也可能是新建的。“当某个工人因为外部原因（如I/O操作需要等待时，不会浪费宝贵的工作台和机器资源，其他工人可以继续工作 ”
当G0系统调用结束后，如果有空闲的P，则获取一个P，M0与G0重新绑定，继续执行G0；如果没有，则将G0放入全局队列，等待被其他的P调度，然后M0将进入缓存池睡眠。

6、Goroutine切换时机

select操作阻塞时

func worker() {
    for {
        select {
        case data := <-channelA:
            // 处理来自通道A的数据
            fmt.Println("收到A的数据:", data)
        case data := <-channelB:
            // 处理来自通道B的数据
            fmt.Println("收到B的数据:", data)
        case <-time.After(2 * time.Second):
            // 如果2秒内没有数据，做其他事情
            fmt.Println("等待超时，先做点别的")
        }
        // 这里，如果所有case都阻塞，这个goroutine会让出CPU
    }
}

IO阻塞

func readFileWorker(filename string) {
    // 打开文件操作可能阻塞，会触发goroutine切换
    file, err := os.Open(filename)
    if err != nil {
        fmt.Println("无法打开文件:", err)
        return
    }
    defer file.Close()
    
    // 读取文件也可能阻塞，再次触发切换
    data := make([]byte, 1024)
    _, err = file.Read(data)
    if err != nil {
        fmt.Println("读取失败:", err)
        return
    }
    
    fmt.Println("读取成功:", string(data))
}

// 调用
go readFileWorker("大文件.txt")
fmt.Println("不会等待文件读完，会继续执行")

阻塞在channel

func producer(ch chan int) {
    for i := 0; i < 10; i++ {
        // 如果通道已满，这里会阻塞并切换goroutine
        ch <- i
        fmt.Println("生产者生产了:", i)
        time.Sleep(100 * time.Millisecond)
    }
    close(ch)
}

func consumer(ch chan int) {
    for {
        // 如果通道为空，这里会阻塞并切换goroutine
        value, ok := <-ch
        if !ok {
            break // 通道关闭
        }
        fmt.Println("消费者消费了:", value)
        time.Sleep(200 * time.Millisecond)
    }
}

func main() {
    ch := make(chan int, 3) // 容量为3的缓冲通道
    
    go producer(ch)
    go consumer(ch)
    
    time.Sleep(3 * time.Second)
}

程序员显式编码操作

func cooperativeWorker(id int) {
    for i := 0; i < 3; i++ {
        fmt.Printf("工人%d正在工作...\n", id)
        
        // 做一些工作
        time.Sleep(100 * time.Millisecond)
        
        // 显式让出CPU，让其他goroutine运行
        runtime.Gosched()
        
        fmt.Printf("工人%d回来继续工作\n", id)
    }
}

func main() {
    // 启动3个工人
    for i := 1; i <= 3; i++ {
        go cooperativeWorker(i)
    }
    
    // 等待所有工人完成
    time.Sleep(2 * time.Second)
}

等待锁

var (
    counter = 0
    mutex   = &sync.Mutex{}
)

func lockedWorker(id int) {
    for i := 0; i < 3; i++ {
        fmt.Printf("工人%d准备获取锁...\n", id)
        
        // 尝试获取锁，如果锁被占用，会阻塞并切换
        mutex.Lock()
        
        fmt.Printf("工人%d获得了锁\n", id)
        
        // 临界区 - 操作共享资源
        counter++
        fmt.Printf("工人%d修改counter为%d\n", id, counter)
        time.Sleep(100 * time.Millisecond) // 模拟工作
        
        // 释放锁
        mutex.Unlock()
        fmt.Printf("工人%d释放了锁\n", id)
        
        // 不操作共享资源的其他工作
        time.Sleep(50 * time.Millisecond)
    }
}

func main() {
    // 启动3个工人
    for i := 1; i <= 3; i++ {
        go lockedWorker(i)
    }
    
    // 等待工人完成
    time.Sleep(2 * time.Second)
    fmt.Printf("最终counter值: %d\n", counter)
}

程序调用：CPU密集任务的强制调度，在Go 1.14之前，函数调用点（如调用heavyCalculation）可能是调度点；在Go 1.14及之后，无论如何，运行过久的goroutine会被强制调度让出CPU

func cpuIntensiveWorker(id int) {
    start := time.Now()
    count := 0
    
    for time.Since(start) < 3*time.Second {
        // 非常消耗CPU的操作
        for i := 0; i < 1000000; i++ {
            count++
        }
        
        // 即使这个工人不主动休息，Go运行时也会在某些点强制它休息
        // 例如，函数调用可能是一个调度点
        heavyCalculation(id)
        
        fmt.Printf("工人%d已工作: %v, 计数: %d\n", 
                  id, time.Since(start), count)
    }
}

func heavyCalculation(id int) int {
    // 这个函数调用可能是一个调度点
    result := 0
    for i := 0; i < 100000; i++ {
        result += i
    }
    return result
}

func main() {
    // 启动两个CPU密集型工人
    for i := 1; i <= 2; i++ {
        go cpuIntensiveWorker(i)
    }
    
    // 等待工人完成
    time.Sleep(4 * time.Second)
    fmt.Println("所有工人完成工作")
}