Golang的goroutine介绍

当谈到Golang（又名Go）的特色时，一个特别突出的话题就是它的goroutine。Goroutine是一种轻量级的线程，Golang的并发模型是基于它们构建的。在本篇文章中，我们将会深入探究Golang的goroutine是如何实现的。

Goroutine的简介

Goroutine是一种比传统线程更加轻量级的并发处理方式。每一个Goroutine都是由Golang的运行时（runtime）所管理的，它们在同一个进程中运行，但是它们却可以同时执行不同的任务。因为Goroutine的轻量级，一个程序可以启动成百上千个Goroutine来执行任务，而不会对程序的性能产生太大的影响。

Goroutine的实现原理

在Golang中，goroutine的实现是通过运行时（runtime）来完成的。当我们创建一个goroutine时，runtime会帮我们在操作系统线程中启动一个goroutine并分配一个栈（Stack）来保存它的执行状态。

当一个goroutine被创建时，它会被加入到Golang的调度器（Scheduler）中，这个调度器是由runtime来管理的。调度器会决定哪个goroutine可以运行，哪个goroutine需要暂停等等。

Golang的调度器采用的是M:N的调度模型。也就是说，它将M个goroutine（M是操作系统线程的数量）映射到N个操作系统线程上。当一个goroutine需要执行时，调度器会从空闲的线程池中选取一个线程来执行这个goroutine。

调度器会监视每个goroutine的执行状态，如果一个goroutine阻塞了（比如等待I/O操作的完成），那么调度器会将这个goroutine暂停并执行另一个可用的goroutine。当被阻塞的goroutine再次可用时，调度器会再次将它放回运行队列中。

Goroutine的底层数据结构

在 Golang 中，每个 goroutine 是由 G 对象表示的，它包含了 goroutine 的栈、goroutine 的状态以及相关的信息。在 Golang 的运行时中，还有其他的结构体和数据结构来支持 goroutine 的实现和调度。

下面是 goroutine 的底层数据结构：

G (goroutine) 结构体：表示一个 goroutine。它包含了 goroutine 的栈、指令指针、程序计数器、状态、等待队列等信息。其中，状态字段包括以下几种状态：
_Gidle：空闲状态，等待分配任务。
_Grunnable：可运行状态，等待被调度执行。
_Grunning：正在执行状态，即当前正在运行的 goroutine。
_Gsyscall：系统调用状态，等待系统调用返回。
_Gwaiting：等待状态，等待某个事件（比如 channel 的读写、锁的释放等）。
_Gdead：死亡状态，goroutine 已经完成任务或被取消。

通过示例展示部分核心源码

以下是一个简单的 Go 程序，其中包含了创建和运行 goroutine 的代码。我们可以结合该程序的源码来展示 goroutine 的实现。

package main
import (
 "fmt"
 "time"
)
func main() {
 go sayHello() // 创建一个新的 goroutine 来执行 sayHello 函数
 time.Sleep(1 * time.Second)
 fmt.Println("Main goroutine exit.")
}
func sayHello() {
 for i := 0; i < 5; i++ {
  fmt.Println("Hello", i)
  time.Sleep(100 * time.Millisecond)
 }
}

在上述代码中，我们通过 go 关键字创建了一个新的 goroutine 来执行 sayHello 函数。这个 goroutine 会和主 goroutine 并发运行，互不干扰。

现在让我们来看一下 go 关键字的源码实现。在 Go 源码中，go 关键字的实现实际上是一个函数调用，该函数的定义如下：

func goFunc(fn *funcval, argp unsafe.Pointer, n int, callerpc uintptr)

该函数接受四个参数：

fn：函数指针，表示需要执行的函数。
argp：参数指针，表示函数的参数。
n：参数个数，表示函数的参数个数。
callerpc：调用者 PC 寄存器的值，用于调试和跟踪。

在函数内部，Go runtime 会创建一个新的 G 对象，并将该 G 对象的状态设置为 Grunnable，然后将其插入到某个 P 的本地队列或全局队列中等待被调度。

下面是 go 关键字的简化版源码实现：

func goFunc(fn *funcval, argp unsafe.Pointer, n int, callerpc uintptr) {
 newG := getg() // 获取当前 goroutine 的 G 对象
 if newG == oldG {
  newG = newproc() // 创建一个新的 P，并启动一个新的 M 来执行该 P
 }
 newG.sched.pc = callerpc // 设置新 goroutine 的调用者 PC 寄存器
 newG.sched.sp = uintptr(argp) // 设置新 goroutine 的堆栈指针
 newG.sched.argp = argp // 设置新 goroutine 的参数指针
 newG.sched.arglen = uintptr(n) // 设置新 goroutine 的参数个数
 newG.sched.fn = fn // 设置新 goroutine 需要执行的函数
 if atomic.Cas(&sched.runqsize, sched.runqsize, sched.runqsize+1) {
  lock(&sched.lock) // 获取全局调度器锁
  if sched.runqtail == nil {
   sched.runqhead = newG
   sched.runqtail = newG
  } else {
   sched.runqtail.sched.link = newG
   sched.runqtail = newG
  }
  unlock(&sched.lock) // 释放全局调度器锁
 }
}

Goroutine的优点

相较于传统线程的实现方式，Goroutine具有以下几个优点：

Goroutine是轻量级的。由于它们是由Golang的运行时管理的，所以它们的创建和销毁的代价非常小，可以轻松地创建大量的goroutine来完成任务。

Goroutine的切换代价低。由于Golang的调度器是基于协作式的调度模型，所以当一个goroutine被阻塞时，调度器可以立即切换到另一个可用的goroutine，而不需要等待操作系统的线程切换。

Goroutine具有内置的同步机制。Golang提供了一系列内置的同步机制（比如channels），可以用来协调不同的goroutine之间的通信和同

小结

总的来说，Golang 的 goroutine 是基于协作式的调度模型实现的，它通过调度器来分配不同的 goroutine 执行任务，从而实现并发。同时，Golang 还提供了丰富的内置函数和工具来协调不同 goroutine 之间的通信和同步。