Go 协程

Goroutine

Goroutine 算是Go 语言实现的超轻量级线程，但它的核心在于它不是由操作系统内核直接管理的，而是由 ​Go 运行时runtime自己管理和调度的，这才是他的高效之处。Go初始栈 2KB，动态增长。

Goroutine的特点优点
1.Go协程的​内存占用小​，初始栈为2KB，动态增长。
2.Go协程创建销毁快​：用户态操作，无系统调用开销。
3.切换开销小​：调度在用户态由运行时完成，只有必要的上下文切换（如寄存器值），而不是完整的线程上下文切换。并且通过合理的调度时机来避免无意义的切换。
4.​高并发能力​：GMP 模型通过本地队列减少了锁竞争，使得数万甚至百万级的并发任务可以被高效管理。

为何有这些特点，我们可以从以下三个核心层面来理解Goroutine：
​1. 创建与内存。
2. 调度模型（GMP）​。
3. 调度时机。

1. 创建与内存：go协程为啥如此轻量？

​操作系统线程（OS Thread）​​：
a.创建和销毁需要进入内核态，系统调用开销大。
b.每个线程有自己固定且较大的栈空间（例如 1-2MB），主要用于处理最复杂的函数调用。大量线程会消耗大量内存。

​Goroutine​：
a.创建和销毁完全在用户态由 Go 运行时负责，开销极小，就是几个函数调用，而不是系统调用。
b.初始栈空间非常小（通常约 2KB），并且采用按需分配/缩放的动态栈。当栈空间不足时，运行时会自动为它分配一块更大的栈，并把旧栈的内容复制过去。这使内存使用非常高效，可以轻松创建数十万甚至上百万个 Goroutine。

2. 核心调度模型：GMP 模型

Go 的调度器采用了一个叫做 ​GMP​ 的三级模型。

​G - Goroutine​:就是我们要调度的协程本体。它包含了函数、指令指针、栈等信息。

​M - Machine（工作线程）​​:代表着操作系统的内核线程。它是真正在 CPU 上执行代码的实体。所有 Goroutine 最终都要跑在某个 M 上。

M 的数量默认上限是 10000，一般远超 CPU 核心数，因为大部分 M 会阻塞在系统调用上。

​P - Processor（调度器/上下文）​​:P 是 G 和 M 之间的纽带，是 Go 调度器的关键创新。

把 P 理解为一个本地运行队列和执行上下文。它维护着一个本地的 Goroutine 队列（称为 local run queue）。

P 的数量默认等于当前程序的 GOMAXPROCS值（通常是 CPU 的逻辑核心数，比如 16 核机器就是 16）。这限制了真正并发运行的 Goroutine 数量。
GOMAXPROCS可以通过命令设置：export GOMAXPROCS=4，也可以在代码中调用：runtime.GOMAXPROCS(16)

​GMP关系与工作流程​：

开始运行时，M和P的工作流程：

​绑定关系​：在程序运行时，Go 运行时会创建 GOMAXPROCS个 P。每个 P 都持有一个本地的 G 队列。一个 M 要想执行 G，必须先获取一个 P，即 M 与 P 绑定。

​后续流程​：

1.当执行 go func()时，会创建一个新的 G。

2.这个 G 会优先被放入当前 M 所绑定的 P 的本地运行队列中。(这里为什么会放入当前M所绑定的P的本地运行队列中，因为go选择的是1.默认路径，就近原则高效。如果当前队列满了，会把拿当前队列的一半任务和这个新任务一起放到公共的全局队列G中)

3.M 会从它绑定的 P 的本地队列中取出一个 G 来执行（LIFO 策略。a.如果绑定的P的本地队列空了怎么办呢？---他会从全局队列G中加锁取一批：len(global_queue)/GOMAXPROCS + 1的量到自己的本地队列。b.如果全局队列也空了呢？---那就随机从其他的P中偷取一半的数量到本地队列。如果其他的P都空呢？---那就从网络轮询器中获取那些已就绪的G来执行。如果网络轮询器也获取不到呢？---那就休眠吧，P和M散伙，各回各家各找各妈，P放回空闲P列表，M放入空闲M列表，等有任务来了再继续）。

4.当 G 执行完毕，M 会再从 P 的队列中取下一个 G。如此循环。

3. 调度时机：何时切换 Goroutine？

Go 的调度是协作式的，但带有强烈的抢占式倾向。它不会像操作系统那样用时间片轮转来强制切换线程。Goroutine 的调度发生在以下关键时刻：

1.主动挂起（协作式点位）

Goroutine 在遇到一些特定操作时，会主动让出 CPU 使用权。这些操作会成为调度器的“切入点”：

a.​I/O 操作​：如网络请求、文件读写。
​b.channel 操作​：如向 channel 发送或接收数据时遇到阻塞。
​c.执行 runtime.Gosched()函数​：主动放弃当前执行，让给其他 Goroutine。
d.系统调用​：如访问操作系统功能。
​e.垃圾回收（GC）​​：GC 的某些阶段需要暂停所有 Goroutine。

2.被动抢占（防止饿死）

如果一个 Goroutine 执行一个非常耗时的计算任务（比如一个死循环，且内部没有上述的协作点），它不会主动让出 CPU，这会导致其他 Goroutine 被“饿死”。为了解决这个问题，Go 调度器实现了基于信号的异步抢占。

流程：
1.Go 运行时会向执行长时间任务的 M 发送一个特殊的信号（如 SIGURG）。
2.M 收到信号后，会中断当前正在执行的 G，并执行一个预注册的信号处理函数。
3.在这个处理函数中，调度器有机会将当前的 G 挂起，放回运行队列，然后让 M 去执行其他的 G。这样就实现了“强制”切换，保证了公平性。

可以举个例子：
go运行时就像一个销售公司运作。这个销售公司有很多销售项目组（P），也有很多销售顾问（M），每个销售项目组都有一块黑板写着代办的任务（G）。还有一个公共栏记录那些没有分派出去的公共任务（全局G，这个地方是一些公共的代办任务，哪个销售项目组没任务可以来这里抢任务做）。
1.当一个任务（G）被创建之后就近分派给销售项目组（P）接手这个任务，一旦这个P任务满了就放到公共栏。
2.销售顾问（M）做任务，先从销售项目组（P）中取任务（G），拿到任务则执行。如果销售组（P）没有任务就去公共栏取任务，如果公共栏也没任务，从其他销售项目组（P）中偷取一半的任务（G）执行，如果其他销售项目组（P）也没有任务，当牛马的要去看看老板有没有其他安排了，如果没安排那就把这个销售项目组放到空列表中，记录完结，销售顾问可以去外面休息喝口西北风了，等来活了继续牛马的循环工作。

一个P同时只能绑定一个M，一个项目组实际有很多销售顾问，把这些销售顾问看成一个整体就行了