一、并發(fā)性Concurrency
1、多任務
多任務是操作系統(tǒng)可以同時執(zhí)行多個任務。如，可以一邊聽音樂，一邊刷微博，一邊聊QQ，還能同時開微信。這就是多任務同時運行。
2、線程process與進程thread、協(xié)程coroutine
進程是一個程序在一個數據集中的一次動態(tài)執(zhí)行過程，可以簡單理解為“正在執(zhí)行的程序”，它是CPU資源分配和調度的獨立單位。
線程是操作系統(tǒng)能夠進行運算調度的最小單位。它被包含在進程之中，是進程中的實際運作單位。一條線程指的是進程中一個單一順序的控制流，一個進程中可以并發(fā)多個線程，每條線程并行執(zhí)行不同的任務。
簡單來說：
進程：指在系統(tǒng)中正在運行的一個應用程序；程序一旦運行就是進程；進程——資源分配的最小單位。
線程：系統(tǒng)分配處理器時間資源的基本單元，或者說進程之內獨立執(zhí)行的一個單元執(zhí)行流。線程——程序執(zhí)行的最小單位。
進程的局限是創(chuàng)建、撤銷和切換的開銷比較大。
線程的優(yōu)點是減小了程序并發(fā)執(zhí)行時的開銷，提高了操作系統(tǒng)的并發(fā)性能，缺點是線程沒有自己的系統(tǒng)資源，只擁有在運行時必不可少的資源，但同一進程的各線程可以共享進程所擁有的系統(tǒng)資源。
操作系統(tǒng)的設計，因此可以歸結為三點：
- （1）以多進程形式，允許多個任務同時運行；
- （2）以多線程形式，允許單個任務分成不同的部分運行；
- （3）提供協(xié)調機制，一方面防止進程之間和線程之間產生沖突，另一方面允許進程之間和線程之間共享資源。
協(xié)程coroutine是一種用戶態(tài)的輕量級線程，又稱微線程，協(xié)程的調度完全由用戶控制。人們通常將協(xié)程和子程序（函數）比較著理解。 子程序調用總是一個入口，一次返回，一旦退出即完成了子程序的執(zhí)行。
與傳統(tǒng)的系統(tǒng)級線程和進程相比，協(xié)程的最大優(yōu)勢在于其"輕量級"，可以輕松創(chuàng)建上百萬個而不會導致系統(tǒng)資源衰竭，而線程和進程通常最多也不能超過1萬的。這也是協(xié)程也叫輕量級線程的原因。
Go語言對于并發(fā)的實現是靠協(xié)程，coroutine
3、并行與并發(fā)
并行與并發(fā)（Concurrency and Parallelism）是兩個不同的概念，理解它們對于理解多線程模型非常重要。
在描述程序的并發(fā)或者并行時，應該說明從進程或者線程的角度出發(fā)。
- 并發(fā)：一個時間段內有很多的線程或進程在執(zhí)行，但任何時間點上都只有一個在執(zhí)行，多個線程或進程爭搶時間片輪流執(zhí)行
- 并行：一個時間段和時間點上都有多個線程或進程在執(zhí)行
并行需要硬件支持，單核處理器只能是并發(fā)，多核處理器才能做到并行執(zhí)行。
- 并發(fā)是并行的必要條件，如果一個程序本身就不是并發(fā)的，也就是只有一個邏輯執(zhí)行順序，那么我們不可能讓其被并行處理。
- 并發(fā)不是并行的充分條件，一個并發(fā)的程序，如果只被一個CPU進行處理(通過分時)，那么它就不是并行的。
舉例：
如果我們在瀏覽web頁面時，下載文件和呈現頁面是周期交替執(zhí)行的，這就是并發(fā)。
如果是運行在多核CPU上，下載文件和呈現頁面可能同時在不同的內核中運行。這就是所謂的并行性。
并行性Parallelism不會總是導致更快的執(zhí)行時間，因為并行運行的組件可能需要相互通信，這種通信開銷很高，因此，并行程序并不總是導致更快的執(zhí)行時間!
二、幾種不同的多線程模型
線程的實現可以分為兩類：
- 用戶級線程(User-LevelThread, ULT)：用戶線程由用戶代碼支持。
- 內核級線程(Kemel-LevelThread, KLT)：內核線程由操作系統(tǒng)內核支持。
多線程模型：
多線程模型即用戶級線程和內核級線程的不同連接方式。
1、【用戶級線程模型】多對一模型（M : 1）
將多個用戶級線程映射到一個內核級線程，線程管理在用戶空間完成。 此模式中，用戶級線程對操作系統(tǒng)不可見（即透明）。
優(yōu)點： 這種模型的好處是線程上下文切換都發(fā)生在用戶空間，避免的模態(tài)切換（mode switch），從而對于性能有積極的影響。
缺點：所有的線程基于一個內核調度實體即內核線程，這意味著只有一個處理器可以被利用，在多處理器環(huán)境下這是不能夠被接受的，本質上，用戶線程只解決了并發(fā)問題，但是沒有解決并行問題。如果線程因為 I/O 操作陷入了內核態(tài)，內核態(tài)線程阻塞等待 I/O 數據，則所有的線程都將會被阻塞，用戶空間也可以使用非阻塞而 I/O，但是不能避免性能及復雜度問題。
2、【內核級線程模型】一對一模型（1 : 1）
將每個用戶級線程映射到一個內核級線程。
每個線程由內核調度器獨立的調度，所以如果一個線程阻塞則不影響其他的線程。
優(yōu)點：在多核處理器的硬件的支持下，內核空間線程模型支持了真正的并行，當一個線程被阻塞后，允許另一個線程繼續(xù)執(zhí)行，所以并發(fā)能力較強。
缺點：每創(chuàng)建一個用戶級線程都需要創(chuàng)建一個內核級線程與其對應，這樣創(chuàng)建線程的開銷比較大，會影響到應用程序的性能。
3、【兩級線程模型】多對多模型（M : N）
內核線程和用戶線程的數量比為 M : N，內核用戶空間綜合了前兩種的優(yōu)點。
這種模型需要內核線程調度器和用戶空間線程調度器相互操作，本質上是多個線程被綁定到了多個內核線程上，這使得大部分的線程上下文切換都發(fā)生在用戶空間，而多個內核線程又可以充分利用處理器資源。
三、goroutine機制的調度實現
goroutine機制實現了M : N的線程模型，goroutine機制是協(xié)程（coroutine）的一種實現，golang內置的調度器，可以讓多核CPU中每個CPU執(zhí)行一個協(xié)程。
理解goroutine機制的原理，關鍵是理解Go語言調度器scheduler的實現。
1、調度器是如何工作的
Go語言中支撐整個scheduler實現的主要有4個重要結構，分別是M、G、P、Sched， 前三個定義在runtime.h中，Sched定義在proc.c中。
Sched是調度器，它維護有存儲M和G的隊列以及調度器的一些狀態(tài)信息等。
M是Machine，系統(tǒng)線程，它由操作系統(tǒng)管理的，goroutine就是跑在M之上的；M是一個很大的結構，里面維護小對象內存cache（mcache）、當前執(zhí)行的goroutine、隨機數發(fā)生器等等非常多的信息。M的作用就是執(zhí)行G中包裝的并發(fā)任務。Go運行時系統(tǒng)中的調度器的主要職責就是將G公平合理的安排到多個M上去執(zhí)行。
P是Processor，邏輯處理器，它的主要用途就是用來執(zhí)行goroutine的，它維護了一個goroutine隊列，即runqueue，并為G在M上的運行提供本地化資源。。Processor是讓我們從N:1調度到M:N調度的重要部分。
G是goroutine，用go關鍵字加函數調用的代碼就是創(chuàng)建了一個G對象，是對一個要并發(fā)執(zhí)行的任務的封裝，也可以稱作用戶態(tài)線程。屬于用戶級資源，對OS透明，具備輕量級，可以大量創(chuàng)建，上下文切換成本低等特點。
Processor的數量是在啟動時被設置為環(huán)境變量GOMAXPROCS的值，或者通過運行時調用函數GOMAXPROCS()進行設置。Processor數量固定意味著任意時刻只有GOMAXPROCS個線程在運行go代碼。
我們分別用三角形，矩形和圓形表示Machine Processor和Goroutine。
在單核處理器的場景下，所有goroutine運行在同一個M系統(tǒng)線程中，每一個M系統(tǒng)線程維護一個Processor，任何時刻，一個Processor中只有一個goroutine，其他goroutine在runqueue中等待。一個goroutine運行完自己的時間片后，讓出上下文，回到runqueue中。 多核處理器的場景下，為了運行goroutines，每個M系統(tǒng)線程會持有一個Processor。
在正常情況下，scheduler會按照上面的流程進行調度，但是線程會發(fā)生阻塞等情況，看一下goroutine對線程阻塞等的處理。
2、線程阻塞
當正在運行的goroutine阻塞的時候，例如進行系統(tǒng)調用，會再創(chuàng)建一個系統(tǒng)線程（M1），當前的M線程放棄了它的Processor，P轉到新的線程中去運行。
3、runqueue執(zhí)行完成
當其中一個Processor的runqueue為空，沒有goroutine可以調度。它會從另外一個上下文偷取一半的goroutine。
Go運行時系統(tǒng)通過構造G-P-M對象模型實現了一套用戶態(tài)的并發(fā)調度系統(tǒng)，可以自己管理和調度自己的并發(fā)任務，所以可以說Go語言原生支持并發(fā)。自己實現的調度器負責將并發(fā)任務分配到不同的內核線程上運行，然后內核調度器接管內核線程在CPU上的執(zhí)行與調度。
可以看到Go的并發(fā)用起來非常簡單，用了一個語法糖將內部復雜的實現結結實實的包裝了起來。其內部可以用下面這張圖來概述：
參考文章：
https://zhuanlan.zhihu.com/p/77206570
https://www.cnblogs.com/williamjie/p/9456764.html
