Golang 的 goroutine 是如何实现的？

我知道同步并发的原理是利用进程或者线程，由操作系统调度；异步并发的原理是 DMA，即不经过 CPU 直接把 IO 的某一快 copy 到 memory 上或者反之，那么，新学 Golang 的我想知道，Golang 的所谓 goroutine （协程）如何实现的？

作者：Yi Wang
链接：https://www.zhihu.com/question/20862617/answer/27964865
来源：知乎
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更新说明：这个答案是在golang1.8的时候搬运的，现在随着时间的推移，请大家多多关注golang本身的进化，这个答案或许还有效，但是没有与时俱进的更新，多多包涵。

The Go scheduler 纯翻译如下：

Go runtime的调度器：
在了解Go的运行时的scheduler之前，需要先了解为什么需要它，因为我们可能会想，OS内核不是已经有一个线程scheduler了嘛？
熟悉POSIX API的人都知道，POSIX的方案在很大程度上是对Unix process进场模型的一个逻辑描述和扩展，两者有很多相似的地方。 Thread有自己的信号掩码，CPU affinity等。但是很多特征对于Go程序来说都是累赘。 尤其是context上下文切换的耗时。另一个原因是Go的垃圾回收需要所有的goroutine停止，使得内存在一个一致的状态。垃圾回收的时间点是不确定的，如果依靠OS自身的scheduler来调度，那么会有大量的线程需要停止工作。

单独的开发一个GO得调度器，可以是其知道在什么时候内存状态是一致的，也就是说，当开始垃圾回收时，运行时只需要为当时正在CPU核上运行的那个线程等待即可，而不是等待所有的线程。

用户空间线程和内核空间线程之间的映射关系有：N:1,1:1和M:N
N:1是说，多个（N）用户线程始终在一个内核线程上跑，context上下文切换确实很快，但是无法真正的利用多核。
1：1是说，一个用户线程就只在一个内核线程上跑，这时可以利用多核，但是上下文switch很慢。
M:N是说， 多个goroutine在多个内核线程上跑，这个看似可以集齐上面两者的优势，但是无疑增加了调度的难度。

Go的调度器内部有三个重要的结构：M，P，S
M:代表真正的内核OS线程，和POSIX里的thread差不多，真正干活的人
G:代表一个goroutine，它有自己的栈，instruction pointer和其他信息（正在等待的channel等等），用于调度。
P:代表调度的上下文，可以把它看做一个局部的调度器，使go代码在一个线程上跑，它是实现从N:1到N:M映射的关键。

图中看，有2个物理线程M，每一个M都拥有一个context（P），每一个也都有一个正在运行的goroutine。
P的数量可以通过GOMAXPROCS()来设置，它其实也就代表了真正的并发度，即有多少个goroutine可以同时运行。
图中灰色的那些goroutine并没有运行，而是出于ready的就绪态，正在等待被调度。P维护着这个队列（称之为runqueue），
Go语言里，启动一个goroutine很容易：go function 就行，所以每有一个go语句被执行，runqueue队列就在其末尾加入一个
goroutine，在下一个调度点，就从runqueue中取出（如何决定取哪个goroutine？）一个goroutine执行。

为何要维护多个上下文P？因为当一个OS线程被阻塞时，P可以转而投奔另一个OS线程！
图中看到，当一个OS线程M0陷入阻塞时，P转而在OS线程M1上运行。调度器保证有足够的线程来运行所以的context P。

图中的M1可能是被创建，或者从线程缓存中取出。

当MO返回时，它必须尝试取得一个context P来运行goroutine，一般情况下，它会从其他的OS线程那里steal偷一个context过来，
如果没有偷到的话，它就把goroutine放在一个global runqueue里，然后自己就去睡大觉了（放入线程缓存里）。Contexts们也会周期性的检查global runqueue，否则global runqueue上的goroutine永远无法执行。

另一种情况是P所分配的任务G很快就执行完了（分配不均），这就导致了一个上下文P闲着没事儿干而系统却任然忙碌。但是如果global runqueue没有任务G了，那么P就不得不从其他的上下文P那里拿一些G来执行。一般来说，如果上下文P从其他的上下文P那里要偷一个任务的话，一般就‘偷’run queue的一半，这就确保了每个OS线程都能充分的使用。

 

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