协程的实现 - Hello Golang

Go 的 goroutine 是一种轻量级的线程实现，其底层原理和实现涉及多个方面，包括调度器、栈管理、和运行时系统。以下是对 Go goroutine 底层原理和实现的详细介绍。

1. `goroutine` 的底层原理

1.1 轻量级线程

协作式调度：goroutine 是 Go 运行时系统提供的一种轻量级线程，底层由 Go 的调度器负责调度。Go 的调度器在用户级别实现了 goroutine 的调度，而不是依赖操作系统的线程调度，这使得 goroutine 可以更高效地运行。
栈管理：goroutine 使用的是非常小的初始栈（通常只有几 KB），这种设计可以大幅减少内存开销。Go 运行时系统会在需要时自动扩展 goroutine 的栈大小，这使得 goroutine 可以在保持小内存占用的同时，处理复杂的递归调用或深度操作。

1.2 调度器

M:N 模型：Go 使用 M:N 调度模型，其中 M 表示操作系统线程，N 表示 goroutine。多个 goroutine 可以被调度到少量的操作系统线程上，这种设计减少了线程切换的开销，并且更容易在多核 CPU 上进行负载均衡。
调度器组件：Go 的调度器包含以下几个主要组件：
- P（Processor）：代表逻辑处理器，负责执行 goroutine。调度器根据逻辑处理器的数量来决定有多少个 P。
- M（Machine）：代表操作系统线程，负责执行 P 上的 goroutine。调度器将 goroutine 调度到 M 上。
- G（Goroutine）：代表一个 goroutine。每个 G 都有自己的栈和调度信息。
调度算法：Go 的调度器使用抢占式调度算法。goroutine 会定期进行时间片轮转，以确保所有 goroutine 都能够获得执行时间。调度器会根据 goroutine 的状态（如等待、运行、阻塞）来决定如何调度 goroutine。

2. `goroutine` 的实现细节

2.1 栈管理

初始栈：每个 goroutine 从一个小的初始栈开始（通常为 2 KB）。这种小栈使得创建 goroutine 的开销很小。
栈扩展：当 goroutine 需要更多栈空间时，Go 的运行时系统会自动扩展栈。扩展栈是通过复制当前栈的内容到更大的内存区域来实现的。这种栈扩展的过程是自动进行的，对用户代码是透明的。

2.2 调度器内部结构

调度队列：调度器维护多个队列来管理 goroutine。主要包括：
- 运行队列：存放准备执行的 goroutine。
- 等待队列：存放因等待 I/O 或其他条件而被阻塞的 goroutine。
- 系统队列：存放等待操作系统线程的 goroutine。
工作窃取：调度器使用工作窃取算法来平衡负载。工作窃取允许一个忙碌的 P 从其他较空闲的 P 中窃取 goroutine，以便均衡负载并提高 CPU 使用率。

2.3 线程和协程的切换

上下文切换：goroutine 的上下文切换比操作系统线程的上下文切换要轻量得多，因为它只涉及到用户级别的状态保存和恢复，而不需要操作系统级别的切换。
抢占：Go 的调度器会定期检查 goroutine 的状态并进行抢占，以防止某些 goroutine 长时间占用 CPU。这种抢占机制保证了所有 goroutine 都能公平地获得 CPU 时间。

3. 实现细节和示例

以下是一些 Go 的 goroutine 实现细节的代码示例和解释：

3.1 `goroutine` 的创建

在 Go 中，通过 go 关键字创建 goroutine，底层实际调用了 Go 运行时的相关函数：

func newGoroutine(fn func()) *g {
    g := new(g)
    g.fn = fn
    g.stack = makeStack() // 创建初始栈
    return g
}

func goStart(g *g) {
    // 将 goroutine g 加入调度队列
    sched.runQueue.push(g)
}

3.2 栈扩展

当 goroutine 需要更多栈空间时，Go 运行时会自动扩展栈：

func growStack(g *g) {
    oldStack := g.stack
    newStack := allocateNewStack()
    copyStack(oldStack, newStack)
    g.stack = newStack
}

3.3 调度器实现

调度器内部维护了多个队列来管理 goroutine 的调度：

type Scheduler struct {
    runQueue queue.Queue // 运行队列
    waitQueue queue.Queue // 等待队列
    mQueue queue.Queue // 系统队列
}

func (s *Scheduler) schedule() {
    // 从运行队列中取出一个 goroutine 并执行
    g := s.runQueue.pop()
    runGoroutine(g)
}

总结

Go 的 goroutine 是一种高效的并发执行单元，底层实现涉及轻量级的线程管理、协作式调度、动态栈管理和高效的调度算法。通过使用这些技术，Go 能够在多核 CPU 上高效地运行大量的 goroutine，实现简洁且高效的并发编程模型。