并發(fā)的發(fā)展歷史

其實(shí)，在早期計(jì)算機(jī)并沒(méi)有包含操作系統(tǒng)，這個(gè)時(shí)候，這個(gè)計(jì)算機(jī)只跑一個(gè)程序，這個(gè)程序獨(dú)享計(jì)算機(jī)的所有資源，這個(gè)時(shí)候不存在什么并發(fā)問(wèn)題，但是對(duì)計(jì)算機(jī)的資源來(lái)說(shuō)，確實(shí)是一種浪費(fèi)。早期編程都是基于單進(jìn)程來(lái)進(jìn)行，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，于是，操作系統(tǒng)出現(xiàn)了，操作系統(tǒng)改變了這種現(xiàn)狀，讓計(jì)算機(jī)可以運(yùn)行多個(gè)程序，并且不同的程序占用獨(dú)立的計(jì)算機(jī)資源，如內(nèi)存，CPU等。

操作系統(tǒng)出現(xiàn)后：

• 資源利用率：可以在其他程序執(zhí)行過(guò)程出現(xiàn)等待的時(shí)候，去執(zhí)行其他程序，從而提高程序的利用率
• 公平性：所有的程序可以共享計(jì)算機(jī)資源，一種有效的方式是通過(guò)時(shí)間片的方式來(lái)讓程序共享計(jì)算機(jī)資源
• 任務(wù)通信：在編寫(xiě)多任務(wù)程序時(shí)，可以一個(gè)程序執(zhí)行一個(gè)任務(wù)，必要時(shí)，程序之間進(jìn)行通信即可

當(dāng)計(jì)算機(jī)從單程序變成多程序之后，這個(gè)時(shí)候又發(fā)展出了多線(xiàn)程，線(xiàn)程是進(jìn)程里面的每個(gè)執(zhí)行控制流，或叫執(zhí)行路線(xiàn)。如果沒(méi)有明確的協(xié)同機(jī)制，那么每個(gè)線(xiàn)程將獨(dú)立運(yùn)行，共享著進(jìn)程的內(nèi)存及CPU資源，多進(jìn)程多線(xiàn)程之間雖然讓多任務(wù)并行處理的能力大大提升，但是本質(zhì)上還是分時(shí)系統(tǒng)，并不是時(shí)間上真正的并行，解決這個(gè)問(wèn)題的方式顯而易見(jiàn)，就是讓多個(gè)CPU能夠同時(shí)計(jì)算任務(wù)，從而實(shí)現(xiàn)真正意義上的多任務(wù)并行。

并發(fā)的優(yōu)勢(shì)

并發(fā)可以滿(mǎn)足多任務(wù)任務(wù)需求，比如一邊寫(xiě)代碼一邊聽(tīng)音樂(lè)，即使編寫(xiě)多線(xiàn)程程序具有挑戰(zhàn)性，但它仍在使用中，是因?yàn)樗梢詭?lái)如下的好處：

• 更好的資源利用
• 在某些場(chǎng)景下程序的設(shè)計(jì)會(huì)更簡(jiǎn)單
• 提升程序的響應(yīng)性
• 多進(jìn)程/多任務(wù)：?jiǎn)蝹€(gè)CPU下的并發(fā)，如在使用QQ的同時(shí)打開(kāi)愛(ài)奇藝看劇
• 多線(xiàn)程/子任務(wù)：?jiǎn)蝹€(gè)應(yīng)用下的并發(fā)，如博客網(wǎng)站可以處理不同用戶(hù)的訪(fǎng)問(wèn)請(qǐng)求

進(jìn)程的調(diào)度

單核的 CPU 一次只能執(zhí)行一個(gè)任務(wù)，想要實(shí)現(xiàn)多任務(wù)，需要把 CPU 的運(yùn)行時(shí)間切成一段一段的時(shí)間片，每個(gè)時(shí)間片運(yùn)行一個(gè)程序，循環(huán)的分配時(shí)間片給不同的應(yīng)用程序，由于時(shí)間片非常的短，在用戶(hù)看來(lái)，就像是多個(gè)任務(wù)同時(shí)在運(yùn)行。

進(jìn)程的調(diào)度

在計(jì)算機(jī)的世界里，內(nèi)核把CPU的執(zhí)行時(shí)間切分成許多時(shí)間片，比如1秒鐘可以切分為100個(gè)10毫秒的時(shí)間片，每個(gè)時(shí)間片再分發(fā)給不同的進(jìn)程，通常，每個(gè)進(jìn)程需要多個(gè)時(shí)間片才能完成一個(gè)請(qǐng)求。這樣，雖然微觀上，比如說(shuō)就這10毫秒時(shí)間CPU只能執(zhí)行一個(gè)進(jìn)程，但宏觀上1秒鐘執(zhí)行了100個(gè)時(shí)間片，于是每個(gè)時(shí)間片所屬進(jìn)程中的請(qǐng)求也得到了執(zhí)行，這就實(shí)現(xiàn)了請(qǐng)求的并發(fā)執(zhí)行。

流水線(xiàn)

CPU就好像一個(gè)流水線(xiàn)上的工人，不斷的處理流水線(xiàn)上的各種信息包裹，打開(kāi)包裹讀取指令并執(zhí)行，遇到執(zhí)行慢的IO調(diào)用（或執(zhí)行時(shí)間片結(jié)束）則會(huì)暫時(shí)把它放到等候區(qū)，繼續(xù)處理流水線(xiàn)上下一個(gè)等待處理的包裹。等候區(qū)有很多這樣的包裹，等待著系統(tǒng)的IO執(zhí)行完成，當(dāng)IO調(diào)用結(jié)束后，又開(kāi)始進(jìn)入到等待處理隊(duì)列。

進(jìn)程的缺點(diǎn)：在操作系統(tǒng)中，每個(gè)進(jìn)程的內(nèi)存空間都是獨(dú)立的，這樣用多進(jìn)程實(shí)現(xiàn)并發(fā)就有兩個(gè)缺點(diǎn)：一是內(nèi)核的管理成本高，二是無(wú)法簡(jiǎn)單地通過(guò)內(nèi)存同步數(shù)據(jù)，很不方便于是多線(xiàn)程模式就出現(xiàn)了。

線(xiàn)程的調(diào)度

線(xiàn)程，是操作系統(tǒng)能夠進(jìn)行運(yùn)算調(diào)度的最小單位。它被包含在進(jìn)程之中，是進(jìn)程中的實(shí)際運(yùn)作單位。一條線(xiàn)程指的是進(jìn)程中一個(gè)單一順序的控制流，一個(gè)進(jìn)程中可以并發(fā)多個(gè)線(xiàn)程，每條線(xiàn)程并行執(zhí)行不同的任務(wù)。線(xiàn)程總是在進(jìn)程之內(nèi)的。一個(gè)進(jìn)程至少會(huì)包含一個(gè)線(xiàn)程。

如果一個(gè)進(jìn)程只包含了一個(gè)線(xiàn)程，那么它里面的所有代碼都只會(huì)被串行地執(zhí)行。每個(gè)進(jìn)程的第一個(gè)線(xiàn)程都會(huì)隨著該進(jìn)程的啟動(dòng)而被創(chuàng)建，它們可以被稱(chēng)為其所屬進(jìn)程的主線(xiàn)程。相對(duì)應(yīng)的，如果一個(gè)進(jìn)程中包含了多個(gè)線(xiàn)程，那么其中的代碼就可以被并發(fā)地執(zhí)行。除了進(jìn)程的第一個(gè)線(xiàn)程之外，其他的線(xiàn)程都是由進(jìn)程中已存在的線(xiàn)程創(chuàng)建出來(lái)的。所以，線(xiàn)程可以通過(guò)共享內(nèi)存地址空間，解決內(nèi)核的管理成本、內(nèi)存同步數(shù)據(jù)的問(wèn)題。

線(xiàn)程

由于線(xiàn)程運(yùn)行的本質(zhì)就是函數(shù)運(yùn)行，函數(shù)運(yùn)行時(shí)信息是保存在棧幀中的，因此 每個(gè)線(xiàn)程都有自己獨(dú)立的、私有的棧區(qū)。

代碼區(qū)

進(jìn)程地址空間中的代碼區(qū)，這里保存的是什么呢？從名字中有的同學(xué)可能已經(jīng)猜到了，沒(méi)錯(cuò)，這里保存的就是我們寫(xiě)的代碼，更準(zhǔn)確的是 編譯后的可執(zhí)行機(jī)器指令。

heap

heap很顯然，只要知道變量的地址，也就是指針，任何一個(gè)線(xiàn)程都可以訪(fǎng)問(wèn)指針指向的數(shù)據(jù)，因此堆區(qū)也是線(xiàn)程共享的屬于進(jìn)程的資源。

stack

通常來(lái)說(shuō)棧區(qū)是線(xiàn)程私有，既然有通常就有不通常的時(shí)候，不通常是因?yàn)椴幌襁M(jìn)程地址空間之間的嚴(yán)格隔離，線(xiàn)程的棧區(qū)沒(méi)有嚴(yán)格的隔離機(jī)制來(lái)保護(hù)，因此 如果一個(gè)線(xiàn)程能拿到來(lái)自另一個(gè)線(xiàn)程棧幀上的指針，那么該線(xiàn)程就可以改變另一個(gè)線(xiàn)程的棧區(qū)，也就是說(shuō)這些線(xiàn)程可以任意修改本屬于另一個(gè)線(xiàn)程棧區(qū)中的變量。

線(xiàn)程的調(diào)度與缺點(diǎn):

在同一個(gè)進(jìn)程中并行運(yùn)行多個(gè)線(xiàn)程，是對(duì)在同一臺(tái)計(jì)算機(jī)上并行運(yùn)行多個(gè)進(jìn)程的模擬。因此，線(xiàn)程也被稱(chēng)為輕量級(jí)進(jìn)程。與進(jìn)程調(diào)度類(lèi)似，CPU在線(xiàn)程之間快速切換，制造了線(xiàn)程并行運(yùn)行的假象。由于各個(gè)線(xiàn)程都可以訪(fǎng)問(wèn)進(jìn)程地址空間的每一個(gè)內(nèi)存地址，所以一個(gè)線(xiàn)程可以讀、寫(xiě)，甚至清除另一個(gè)線(xiàn)程的堆棧。也就是說(shuō)，線(xiàn)程之間是沒(méi)有保護(hù)的。但要注意的是，每個(gè)線(xiàn)程都有自己的堆棧、程序計(jì)數(shù)器、寄存器等信息，這些不是共享的。

上下文切換

線(xiàn)程的切換是由內(nèi)核控制的，什么時(shí)候會(huì)切換線(xiàn)程呢？不只時(shí)間片用盡，當(dāng)調(diào)用阻塞方法時(shí)，內(nèi)核為了CPU 充分工作，也會(huì)切換到其他線(xiàn)程執(zhí)行。一次上下文切換的成本在幾十納秒到幾微秒間，當(dāng)線(xiàn)程繁忙且數(shù)量眾多時(shí)，這些切換會(huì)消耗絕大部分的CPU運(yùn)算能力。

協(xié)程的調(diào)度

協(xié)程就是用戶(hù)態(tài)的線(xiàn)程。通常創(chuàng)建協(xié)程時(shí)，會(huì)從進(jìn)程的堆中分配一段內(nèi)存作為協(xié)程的棧。線(xiàn)程的棧有8MB，而協(xié)程棧的大小通常只有幾十 KB。而且，C庫(kù)內(nèi)存池也不會(huì)為協(xié)程預(yù)分配內(nèi)存，它感知不到協(xié)程的存在。這樣，更低的內(nèi)存占用空間為高并發(fā)提供了保證，畢竟十萬(wàn)并發(fā)請(qǐng)求，就意味著10萬(wàn)個(gè)協(xié)程。

兩級(jí)線(xiàn)程模型中用戶(hù)線(xiàn)程與內(nèi)核線(xiàn)程是一對(duì)一關(guān)系

每個(gè)協(xié)程有獨(dú)立的棧，而棧既保留了變量的值，也保留了函數(shù)的調(diào)用關(guān)系、參數(shù)和返回值，CPU中的棧寄存器SP指向了當(dāng)前協(xié)程的棧，而指令寄存器IP保存著下一條要執(zhí)行的指令地址。因此，從協(xié)程1切換到協(xié)程2時(shí)，首先要把SP、IP寄存器的值為線(xiàn)程1保存下來(lái)，再?gòu)膬?nèi)存中找出協(xié)程2上一次切換前保存好的寄存器值，寫(xiě)入CPU的寄存器，這樣就完成了協(xié)程切換。

在GO語(yǔ)言中，語(yǔ)言的運(yùn)行時(shí)系統(tǒng)會(huì)幫助我們自動(dòng)地創(chuàng)建和銷(xiāo)毀系統(tǒng)級(jí)的線(xiàn)程。這里的系統(tǒng)級(jí)線(xiàn)程指的就是我們剛剛說(shuō)過(guò)的操作系統(tǒng)提供的線(xiàn)程。而對(duì)應(yīng)的用戶(hù)級(jí)協(xié)程指的是架設(shè)在系統(tǒng)級(jí)線(xiàn)程之上的，由我們編寫(xiě)的程序完全控制的代碼執(zhí)行流程。用戶(hù)級(jí)協(xié)程的創(chuàng)建、銷(xiāo)毀、調(diào)度、狀態(tài)變更以及其中的代碼和數(shù)據(jù)都完全需要我們的程序自己去實(shí)現(xiàn)和處理。這帶來(lái)了很多優(yōu)勢(shì)，比如，因?yàn)樗鼈兊膭?chuàng)建和銷(xiāo)毀并不用通過(guò)操作系統(tǒng)去做，所以速度會(huì)很快，又比如，由于不用等著操作系統(tǒng)去調(diào)度它們的運(yùn)行，所以往往會(huì)很容易控制并且可以很靈活。

• G - Goroutine，Go協(xié)程，是參與調(diào)度與執(zhí)行的最小單位
• M - Machine，指的是系統(tǒng)級(jí)線(xiàn)程
• P - Processor，指的是邏輯處理器，P關(guān)聯(lián)了的本地可運(yùn)行G的隊(duì)列(也稱(chēng)為L(zhǎng)RQ)，最多可存放256個(gè)G。

其中的M指代的就是系統(tǒng)級(jí)線(xiàn)程。而P指的是一種可以承載若干個(gè)G，且能夠使這些G適時(shí)地與M進(jìn)行對(duì)接，并得到真正運(yùn)行的中介。

當(dāng)一個(gè)正在與某個(gè)M對(duì)接并運(yùn)行著的G，需要因某個(gè)事件（比如等待 I/O或鎖的解除）而暫停運(yùn)行的時(shí)候，調(diào)度器總會(huì)及時(shí)地發(fā)現(xiàn)，并把這個(gè)G與那個(gè)M分離開(kāi)，以釋放計(jì)算資源供那些等待運(yùn)行的G使用。而當(dāng)一個(gè)G需要恢復(fù)運(yùn)行的時(shí)候，調(diào)度器又會(huì)盡快地為它尋找空閑的計(jì)算資源（包括M）并安排運(yùn)行。另外，當(dāng)M不夠用時(shí)，調(diào)度器會(huì)幫我們向操作系統(tǒng)申請(qǐng)新的系統(tǒng)級(jí)線(xiàn)程，而當(dāng)某個(gè)M已無(wú)用時(shí)，調(diào)度器又會(huì)負(fù)責(zé)把它及時(shí)地銷(xiāo)毀掉。所以Go程序總是能高效地利用操作系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)資源。程序中的所有g(shù)oroutine也都會(huì)被充分地調(diào)度，其中的代碼也都會(huì)被并發(fā)地運(yùn)行，即使這樣的goroutine有數(shù)以十萬(wàn)計(jì)，也仍然可以如此。

小 結(jié)

進(jìn)程、線(xiàn)程、協(xié)程的區(qū)別主要體現(xiàn)在執(zhí)行體的顆粒度上。最初的執(zhí)行體任務(wù)比較簡(jiǎn)單，用一個(gè)進(jìn)程就能滿(mǎn)足需求，隨著執(zhí)行體做的事情越來(lái)越復(fù)雜，就出現(xiàn)了進(jìn)程內(nèi)多任務(wù)的需求。

進(jìn)程和線(xiàn)程都屬于系統(tǒng)級(jí)的任務(wù)，切換進(jìn)程、線(xiàn)程都需要經(jīng)歷用戶(hù)態(tài)躍遷內(nèi)核態(tài)，切換成功后再由內(nèi)核態(tài)切回用戶(hù)態(tài)。

為了實(shí)現(xiàn)高性能，我們應(yīng)該盡可能的減少異步線(xiàn)程。因?yàn)閰f(xié)程沒(méi)有局部存儲(chǔ)，相對(duì)來(lái)說(shuō)空間成本就小很多，同時(shí)它又能滿(mǎn)足需求。