寫了一年golang，來聊聊行程、執行緒與協程-有解無憂

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在早期的單任務計算機中，用戶一次只能提交一個作業，獨享系統的全部資源，同時也只能干一件事情，進行計算時不能進行 IO 讀寫，但 CPU 與 IO 的速度存在巨大差異，一個作業在 CPU 上所花費的時間非常少，大部分時間在等待 IO，

為了更合理的利用 CPU 資源，把記憶體劃分為多塊，不同程式使用各自的記憶體空間互不干擾，這里單獨的程式就是一個行程，CPU 可以在多個行程之間切換執行，讓 CPU 的利用率變高，

為了實作 CPU 在多個行程之間切換，需要保存行程的背景關系（如程式計數器、堆疊、內核資料結構等等），以便下次切換回來可以恢復執行，還需要一種調度演算法，Linux 中采用了基于時間片和優先級的完全公平調度演算法，

多行程的出現是為了解決 CPU 利用率的問題，那為什么還需要執行緒？答案是為了減少背景關系切換時的開銷，

行程在如下兩個時間點可能會讓出 CPU，進行 CPU 切換：

而行程切換 CPU 時需要進行這兩步：

行程和執行緒在 Linux 中沒有本質區別，他們最大的不同就是行程有自己獨立的記憶體空間，而執行緒（同行程中）是共享記憶體空間，

在行程切換時需要轉換記憶體地址空間，而執行緒切換沒有這個動作，所以執行緒切換比行程切換代價更小，

為什么記憶體地址空間轉換這么慢？Linux 實作中，每個行程的地址空間都是虛擬的，虛擬地址空間轉換到物理地址空間需要查頁表，這個查詢是很慢的程序，因此會用一種叫做 TLB 的 cache 來加速，當行程切換后，TLB 也隨之失效了，所以會變慢，

綜上，執行緒是為了降低行程切換程序中的開銷，

當我們的程式是 IO 密集型時（如 web 服務器、網關等），為了追求高吞吐，有兩種思路：

執行緒的創建、銷毀都需要呼叫系統呼叫，每次請求都創建，高并發下開銷就顯得很大，而且執行緒占用記憶體是 MB 級別，數量不能太多

為什么執行緒越多 cpu 切換越多？準確來說是可執行的執行緒越多，cpu 切換越多，因為作業系統的調度要保證絕對公平，有可執行執行緒時，一定是要雨露均沾，所以切換次數變多

這兩個方案，優缺點都很明顯，方案1實作簡單，但性能不高；方案2性能非常好，但實作起來復雜，有沒有介于這兩者之間的方案？既要簡單，又要性能高，協程就解決了這個問題，

協程是用戶視角的一種抽象，作業系統并沒有這個概念，其主要思想是在用戶態實作調度演算法，用少量執行緒完成大量任務的調度，

協程需要解決執行緒遇到的幾個問題：

第一點好實作，用戶態的協程，只是一個資料結構，無需系統呼叫，而且可以設計的很小，達到 KB 級別，

第二點只能減少背景關系切換次數來解決，因為協程的本質還是執行緒，其切換開銷在用戶態是無法降低的，只能通過降低切換次數來達到總體上開銷的減少，可以有如下手段：

goroutine 是 golang 實作的協程，其特點是在語言層面就支持，使用起來非常方便，它的核心是MPG調度模型：

除此之外還有一個全域可運行佇列，

2. 當 M0 中正在運行的 G0 阻塞時（如執行了一個系統呼叫），此時 M0 會休眠，它將放棄掛載的 P0，以便被其他 M 調度到

3. 當 M0 系統呼叫結束后，會嘗試“偷”一個 P，如果不成功，M0 將 G0 放到全域的 runqueue 中

從上述看來，MPG 模型似乎只限制了同時運行的執行緒數，但背景關系切換只發生在可運行的執行緒上，應該是有一定的作用，當然這只是一部分，

golang 在 runtime 層面攔截了可能導致執行緒阻塞的情況，并針對性優化，他們可分為兩類：

所以綜合來看，goroutine 會比執行緒切換開銷少，

從單行程到多行程提高了 CPU 利用率；從行程到執行緒，降低了背景關系切換的開銷；從執行緒到協程，進一步降低了背景關系切換的開銷，使得高并發的服務可以使用簡單的代碼寫出來，技術的每一步發展都是為了解決實際問題，

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