Go运行时与Goroutine的创建、调度和销毁

目录

• 1. Goroutine是轻量级线程
  • （1）资源占用少
  • （2）创建和切换开销低
  • （3）与线程的关系
• 2. Goroutine由Go运行时管理
  • （1）Goroutine的创建
  • （2）Goroutine的调度
  • （3）Goroutine的销毁
  • （4）Goroutine的协作式调度
• 3. Goroutine的优势
• 4. 总结

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1. Goroutine是轻量级线程

Goroutine是Go语言并发编程的核心概念之一，它是一种比操作系统线程更轻量的并发执行单元。以下是Goroutine作为“轻量级线程”的具体体现：

（1）资源占用少

• 操作系统线程：
  操作系统线程（如POSIX线程或Windows线程）通常需要分配较大的栈空间（默认几MB），并且线程的创建、切换和销毁会涉及较多的系统调用，开销较大。

• Goroutine：
  Goroutine的初始栈空间非常小（通常只有几KB），并且栈空间会根据需要动态增长和缩减。这种设计使得Goroutine的创建和销毁开销极低，可以轻松创建成千上万个Goroutine。

（2）创建和切换开销低

• 操作系统线程：
  线程的切换需要保存和恢复大量的上下文信息（如寄存器状态、栈指针等），并且需要切换到内核态，开销较大。

• Goroutine：
  Goroutine的切换完全由Go运行时在用户态完成，不需要切换到内核态。Go运行时会维护一个调度器（Scheduler），负责在多个Goroutine之间进行高效的上下文切换。这种切换的开销远低于操作系统线程。

（3）与线程的关系

• Goroutine并不是直接映射到操作系统线程上的，而是由Go运行时管理的。Go运行时会将多个Goroutine调度到少量的操作系统线程上运行。这种设计使得Goroutine的并发能力更强，资源利用率更高。

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2. Goroutine由Go运行时管理

Go语言的运行时（Runtime）是一个内置的库，负责管理Goroutine的创建、调度、销毁等操作。以下是Go运行时对Goroutine管理的具体机制：

（1）Goroutine的创建

• 使用go关键字可以创建一个Goroutine。例如：

  go func() {
      fmt.Println("Hello from a goroutine!")
  }()
  

  这行代码会启动一个新的Goroutine来执行匿名函数。

• Go运行时会为每个Goroutine分配初始栈空间，并将其加入到调度队列中。

（2）Goroutine的调度

• Go运行时包含一个调度器（Scheduler），负责将Goroutine分配到操作系统线程上执行。调度器的核心任务是：

  • 在多个Goroutine之间进行公平的上下文切换。
  • 将Goroutine绑定到可用的操作系统线程上。
  • 在Goroutine阻塞时（如等待I/O或channel操作），将其从线程上解绑，并调度其他Goroutine运行。

• Go的调度器采用了一种称为M:N调度模型的机制：

  • M：操作系统线程（Machine）。
  • N：Goroutine。
  • Go运行时会将大量的Goroutine（N）调度到少量的操作系统线程（M）上运行。这种模型既保证了并发性能，又减少了线程切换的开销。

（3）Goroutine的销毁

• 当一个Goroutine的任务执行完毕后，Go运行时会自动回收其占用的资源（如栈空间）。
• 如果Goroutine因为阻塞操作（如channel通信）而无法继续执行，Go运行时会将其挂起，直到条件满足后再重新调度。

（4）Goroutine的协作式调度

• Go的调度器是协作式的，而不是抢占式的。这意味着Goroutine只有在主动让出CPU时（如调用runtime.Gosched()、进行I/O操作或channel通信时），才会发生上下文切换。
• 从Go 1.14开始，Go运行时引入了抢占式调度的支持，可以在长时间运行的Goroutine中强制进行上下文切换，以避免某些Goroutine独占CPU。

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3. Goroutine的优势

通过上述机制，Goroutine具有以下优势：

• 高并发：可以轻松创建大量Goroutine，适用于高并发场景。
• 低开销：创建和切换的开销远低于操作系统线程。
• 简单易用：开发者无需关心底层线程管理，只需关注业务逻辑。
• 高效调度：Go运行时的调度器能够充分利用多核CPU，提高程序的并发性能。

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4. 总结

“Goroutine是Go语言中的轻量级线程，由Go运行时管理”这句话准确地概括了Goroutine的核心特性：

• Goroutine是一种比操作系统线程更轻量的并发执行单元，资源占用少、创建和切换开销低。
• Go运行时负责Goroutine的创建、调度和销毁，通过M:N调度模型将大量Goroutine映射到少量操作系统线程上运行。