8.1.2　并发原理

经过前面两节的介绍，读者应该已经知道了Go语言对数据竞态的解决方法，也了解了Go语言的并发理念：不要以共享内存的方式来实现通信，而应该以通信的方式来实现内存共享。

本节将继续深入探讨Go语言并发模式的设计以及大致的实现方式。

除Go语言以外，大多数其他的主流语言使用的都是内存共享式的并发模式。什么是内存共享式的并发模式呢？就是通过并发的方式使用相同的内存区域，比如多个线程并发使用同一个变量。内存共享式对于计算机科班出身的读者来说一定不陌生，在“操作系统”课程中有详细介绍。非科班出身的读者也不用担心，本书8.2节会详细介绍内存共享式并发的实现方式。

Go语言也支持内存共享的并发方式，但这不是Go语言所倡导的，在并发编程中应该优先使用通信顺序进程方式，也叫CSP（Communicating Sequential Process）方式。CSP既是一个技术名词，也是介绍该技术的论文的名字。该技术由Charles Antony Richard Hoare于1978年在ACM发表的同名论文中首次提出。

CSP的理念也是Go语言的座右铭：“不要以共享内存的方式实现通信，而应该以通信的方式实现共享内存”。8.1.1节解决数据竞态问题时用到的第二种方式就是CSP的并发方式。

这里不会对CSP做过多的理论介绍，主要是结合Go语言把CSP在使用层面的知识进行说明。读者可以结合8.4节工作池的示例进行阅读，后面会有越来越多的例子用到CSP并发模式。

Go语言中的CSP是通过goroutine和channel实现的。goroutine可以理解为协程，是Go语言中并发编程必须使用的基本单位。goroutine彼此之间可以通过channel进行数据传递，如图8-3所示。

图8-3是CSP实现并发的基本模式，channel可以是双向的也可以是单向的。当通道为空时，读取的goroutine会阻塞；而当channel容量变满时，写入的goroutine也会阻塞。当然，channel可以在两个以上的goroutine之间进行数据的传递，这种方式不用考虑互斥的问题，也不需要加锁，在进行数据传递的过程中就完成了内存的共享。

其实，仅有goroutine和channel还是不够灵活。当逻辑比较复杂，根据不同的需求执行不同的代码时，如果仅有goroutine和channel就会让代码非常啰嗦。鉴于此，Go语言提供了select关键字。

select语句是绑定channel的黏合剂，工程师往往使用select在程序中对channel进行组合，以实现多个代码块的拼装。select语句可以高效地等待事件，从几个满足条件的case中均匀、随机地选择一个，并在没有满足条件的情况下继续等待。

Go语言的goroutine不是系统线程，也不是语言运行时管理的绿色线程，而是一种抽象层次更高的线程，一般称为协程。goroutine是一种非抢占式的简单并发运行的函数、闭包或方法，也就是说goroutine是不可以被中断的，但是可以暂停或重新进入。goroutine与Go语言的运行时包高度集成，goroutine没有对外暴露暂停或再运行点。

goroutine的运行机制是基于M:N的调度方式实现的，即有M个Go语言运行时绿色线程映射到N个操作系统线程，而goroutine运行在绿色线程之上。若goroutine数量超过绿色线程数，调度程序会行使调度作用，确保部分goroutine阻塞且让之前处于等待状态的程序运行，如此往复，充分利用。接下来会继续此话题，深入讨论MPG模型。

系统线程、运行时绿色线程、goroutine，这是前面提到的几个名词，也许前文的介绍不够形象，所以此处再通过M、P、G这几个对象进行深入的介绍。那么，M、P、G分别代表什么呢？

▪M：Machine，一个M关联一个内核线程。

▪P：Processor，用户代码的逻辑上的处理器，是M和G调度所需要的上下文，P的数量由GOMAXPROCS决定，通常来说是CPU的核芯数。

▪G：goroutine，是运行在运行时绿色线程之上的轻量级线程。

M、P、G三者的关系如图8-4所示。

图8-4展示的是两个系统线程，也就是两个M。每个M对应一个内核线程，同时每个M还会连接一个P作为上下文，这个P是逻辑上的处理器，P上面可以运行一个或多个goroutine。P就是前面说的运行时绿色线程，作为内核线程的M是不能直接运行goroutine的，要先有上下文。

P的数量由启动时环境变量GOMAXPROCS的值确定，通常情况下，此数量在程序运行期间不会改变。既然P的数量在运行时基本不变，那么也就意味着用来运行goroutine的运行时绿色线程是不变的，或者说运行Go代码的上下文是不变的，比如四核的处理器上就有四个运行时绿色线程运行Go代码。

在图8-4中，运行的goroutine是左侧的M、P、G，而右侧带底纹的G代表在等待状态的goroutine，可以看到，处于等待状态的goroutine排成了一个队列。

为什么一定需要P呢，让goroutine直接运行在M上不可以吗？当然不可以，因为如果goroutine直接挂载在M上，就会严重依赖于M，一旦某个M阻塞，很可能会导致很多goroutine阻塞。而当中有了P这一层，即便有某个M阻塞，只要还有M可以运行，那么P就可以带着上下文信息便利地在M上开始运行。

P在运行的过程中还起着负载均衡的作用，一旦自己的goroutine队列运行完毕，还会去找其他的P的队列，会从其他队列分一部分过来。