Go語言

如果你剛剛接觸Go語言，或者說你并不理解“并發(fā)不等于并行”這句話的含義，那么Rob Pike的講座值得一看（在youtube上）。這個視頻有30分鐘長，我保證花30分鐘看這段視頻是非常值得的。

這里摘錄一段他提到的并發(fā)和并行之間的區(qū)別：“當大家聽到并發(fā)這個詞的時候，他們往往想到的是并行。并行是一個相關，但卻完全不同的概念。當我們編程的時候，并發(fā)指的是多個獨立運行的進程，而并行是指同時運行的多個計算。并發(fā)是為了一下子處理很多東西。并行是為了同時做很多事情?！?[1] （注：這里的概念有點繞。其實本質的區(qū)別在“同時”這個詞上。并行強調的時候幾個進程同時進行。而并發(fā)指的是運行多個進程，但這些進程并不需要同時被執(zhí)行。它們可以是被調度在同一個CPU分時運行的。）

Go為我們寫并發(fā)程序提供了便利。它提供了goroutine以及它們之間通信的功能。在這里我們主要討論goroutine。

Goroutine和線程的區(qū)別

Go語言使用的是goroutine，而像Java這樣的語言大多使用線程。它們之間的區(qū)別是什么呢？讓我們從三個方面來看看它們的區(qū)別：內存占用，創(chuàng)建和銷毀，以及切換開銷。

內存占用

創(chuàng)建一個goroutine不需要太多的內存 - 大概2KB左右的?？臻g。如果需要更多的棧空間，就從堆里分配額外的空間來使用。[2][3] 新創(chuàng)建的線程會占用1MB的內存空間（這大約是goroutine的500倍）。這還不包括守護頁（guard page）的空間。守護頁是用來保護線程之間的內存空間不會被相互竄改。[7]

因此一個處理很多請求的服務可以為每個請求創(chuàng)建一個goroutine。但是如果為每個請求去創(chuàng)建一個線程，那么它很快就會碰到OutOfMemoryError。這不是Java獨有的問題，任何使用操作系統(tǒng)線程作為主要并發(fā)手段的編程語言都會碰到這個問題。

創(chuàng)建和銷毀的開銷

線程需要從操作系統(tǒng)里請求資源并在用完之后釋放回去，因此創(chuàng)建和銷毀線程的開銷非常大。為了避免這些開銷，我們通常的做法是維護一個線程池。Goroutine的創(chuàng)建和銷毀是由運行環(huán)境（runtime）完成的。這些操作的開銷就比較小。Go語言不支持手工管理goroutine。

切換開銷

當一個線程阻塞的時候，另外一個線程需要被調度到當前處理器上運行。線程的調度是搶占式的（preemptively）。當切換一個線程的時候，調度器需要保存／恢復所有的寄存器。這包括16個通用寄存器，程序指針（program counter），棧指針（stack pointer），段寄存器（segment registers）和16個XMM寄存器，浮點協(xié)處理器狀態(tài)，16個AVX寄存器，所有的特殊模塊寄存器（MSR）等。當在線程間快速切換的時候這些開銷就變得非常大了。

Goroutine的調度是協(xié)同合作式的（cooperatively）。當切換goroutine的時候，調度器只需要保存和恢復三個寄存器 - 程序指針，棧指針和DX。切換的開銷就小多了。

前面已經談到了，goroutine的數目會比線程多很多，但這并不影響切換的時間。有兩個原因：第一，只有可以運行的goroutine才會被考慮，正在阻塞的goroutine會被忽略。第二，現(xiàn)代的調度器的復雜度都是O(1)的。這意味著選擇的數目（線程或者是goroutine）不會影響切換的時間。[5]

Goroutine的運行

前面談到，運行環(huán)境負責goroutine的創(chuàng)建，調度和銷毀。運行環(huán)境被會分配一些線程，用來運行所有的goroutine。在任何一個時間點，每個線程只會運行一個goroutine。如果一個goroutine被阻塞，另外一個goroutine會來替換它在對應的線程上運行。[6]

因為goroutine的調度是協(xié)同合作式的，如果一個goroutine不停的循環(huán)，其它的goroutine就沒有機會被調度運行了。在Go 1.2里，這個問題的解決辦法是在調用一個函數的時候去偶爾觸發(fā)Go的調度器。這樣一個循環(huán)里如果調用了沒有被內聯(lián)的函數，它就可以被搶占了。

Goroutine的阻塞

Goroutine是廉價的，在下面這些阻塞情況下它們也不會造成運行的線程被阻塞：

- 網絡收發(fā)

- 睡眠

- channel操作

- sync包里的一些會阻塞的基本操作

即使創(chuàng)建了成千上萬的goroutine并且大多數被阻塞了，也不會造成太多的系統(tǒng)資源浪費。因為運行環(huán)境會調度另外的goroutine來運行。

簡而言之，goroutine是對線程的輕量化抽象。Go語言的程序員不需要直接操作線程。與此同時操作系統(tǒng)也不知道goroutine的存在。從操作系統(tǒng)的角度來看，一個Go程序有點像一個事件驅動的C程序。[5]

線程和處理器

雖然我們不能直接控制運行環(huán)境創(chuàng)建多少線程，我們可以設置程序使用的處理器核數。這是通過調用runtime.GOMAXPROCS(n)函數設置GOMAXPROCS變量來實現(xiàn)的。（注：也可以通過直接設置環(huán)境變量來控制）。增加處理器核數并不意味著程序性能的提高。這取決于程序本身的設計。你的程序需要用到多少個內核數可以用剖析（profiling）工具來找到答案。

結束語

和其它語言類似，避免多個goroutine同時訪問一個共享資源是非常重要的。goroutine之間，最好是用channel來傳輸數據。有興趣的可以讀一讀“do not communicate by sharing memory; instead, share memory by communicating”。

最后，我強烈推薦讀一下C. A. R. Hoare寫的“Communicating Sequential Processes”。他是個天才。在這篇論文（1978年發(fā)表的）里，他預測了單核處理器性能最終會遇到瓶頸，然后芯片制造商們會增加處理器的內核數。他的思想對Go語言的設計影響深遠。