GO語言基礎進階教學：Go語言的協程——Goroutine

Go語言的協程——Goroutine

進程(Process)，執行緒(Thread)，協程(Coroutine，也叫輕量級執行緒)

進程進程是一個程式在一個數據集中的一次動態執行過程，可以簡單理解爲「正在執行的程式」，它是CPU資源分配和排程的獨立單位。進程一般由程式、數據集、過程控制塊三部分組成。我們編寫的程式用來描述進程要完成哪些功能以及如何完成；數據集則是程式在執行過程中所需要使用的資源；過程控制塊用來記錄進程的外部特徵，描述進程的執行變化過程，系統可以利用它來控制和管理進程，它是系統感知進程存在的唯一標誌。 進程的侷限是建立、復原和切換的開銷比較大。

執行緒執行緒是在進程之後發展出來的概念。執行緒也叫輕量級進程，它是一個基本的CPU執行單元，也是程式執行過程中的最小單元，由執行緒ID、程式計數器、暫存器集合和堆疊共同組成。一個進程可以包含多個執行緒。執行緒的優點是減小了程式併發執行時的開銷，提高了操作系統的併發效能，缺點是執行緒沒有自己的系統資源，只擁有在執行時必不可少的資源，但同一進程的各執行緒可以共用進程所擁有的系統資源，如果把進程比作一個車間，那麼執行緒就好比是車間裏面的工人。不過對於某些獨佔性資源存在鎖機制機製，處理不當可能會產生「死鎖」。

協程協程是一種使用者態的輕量級執行緒，又稱微執行緒，英文名Coroutine，協程的排程完全由使用者控制。人們通常將協程和子程式（函數）比較着理解。子程式呼叫總是一個入口，一次返回，一旦退出即完成了子程式的執行。

與傳統的系統級執行緒和進程相比，協程的最大優勢在於其"輕量級"，可以輕鬆建立上百萬個而不會導致系統資源衰竭，而執行緒和進程通常最多也不能超過1萬的。這也是協程也叫輕量級執行緒的原因。

協程的特點在於是一個執行緒執行，與多執行緒相比，其優勢體現在：協程的執行效率極高。因爲子程式切換不是執行緒切換，而是由程式自身控制，因此，沒有執行緒切換的開銷，和多執行緒比，執行緒數量越多，協程的效能優勢就越明顯。

Goroutine

1.1 什麼是Goroutine

go中使用Goroutine來實現併發concurrently。

Goroutine是Go語言特有的名詞。區別於進程Process，執行緒Thread，協程Coroutine，因爲Go語言的創造者們覺得和他們是有所區別的，所以專門創造了Goroutine。

Goroutine是與其他函數或方法同時執行的函數或方法。Goroutines可以被認爲是輕量級的執行緒。與執行緒相比，建立Goroutine的成本很小，它就是一段程式碼，一個函數入口。以及在堆上爲其分配的一個堆疊（初始大小爲4K，會隨着程式的執行自動增長刪除）。因此它非常廉價，Go應用程式可以併發執行數千個Goroutines。

Goroutines線上程上的優勢。

與執行緒相比，Goroutines非常便宜。它們只是堆疊大小的幾個kb，堆疊可以根據應用程式的需要增長和收縮，而線上程的情況下，堆疊大小必須指定並且是固定的
Goroutines被多路複用到較少的OS執行緒。在一個程式中可能只有一個執行緒與數千個Goroutines。如果執行緒中的任何Goroutine都表示等待使用者輸入，則會建立另一個OS執行緒，剩下的Goroutines被轉移到新的OS執行緒。所有這些都由執行時進行處理，我們作爲程式設計師從這些複雜的細節中抽象出來，並得到了一個與併發工作相關的乾淨的API。
當使用Goroutines存取共用記憶體時，通過設計的通道可以防止競態條件發生。通道可以被認爲是Goroutines通訊的管道。

1.2 主goroutine

封裝main函數的goroutine稱爲主goroutine。

主goroutine所做的事情並不是執行main函數那麼簡單。它首先要做的是：設定每一個goroutine所能申請的棧空間的最大尺寸。在32位元的計算機系統中此最大尺寸爲250MB，而在64位元的計算機系統中此尺寸爲1GB。如果有某個goroutine的棧空間尺寸大於這個限制，那麼執行時系統就會引發一個棧溢位(stack overflow)的執行時恐慌。隨後，這個go程式的執行也會終止。

此後，主goroutine會進行一系列的初始化工作，涉及的工作內容大致如下：

建立一個特殊的defer語句，用於在主goroutine退出時做必要的善後處理。因爲主goroutine也可能非正常的結束
啓動專用於在後台清掃記憶體垃圾的goroutine，並設定GC可用的標識
執行mian包中的init函數
執行main函數
執行完main函數後，它還會檢查主goroutine是否引發了執行時恐慌，並進行必要的處理。最後主goroutine會結束自己以及當前進程的執行。

1.3 如何使用Goroutines

在函數或方法呼叫前面加上關鍵字go，您將會同時執行一個新的Goroutine。

範例程式碼：

package main

import (  
    "fmt"
)

func hello() {  
    fmt.Println("Hello world goroutine")
}
func main() {  
    go hello()
    fmt.Println("main function")
}

執行結果：可能會值輸出「main function」。

我們開始的Goroutine怎麼樣了?我們需要瞭解Goroutine的規則

當新的Goroutine開始時，Goroutine呼叫立即返回。與函數不同，go不等待Goroutine執行結束。當Goroutine呼叫，並且Goroutine的任何返回值被忽略之後，go立即執行到下一行程式碼。
main的Goroutine應該爲其他的Goroutines執行。如果main的Goroutine終止了，程式將被終止，而其他Goroutine將不會執行。

修改以上程式碼：

package main

import (  
    "fmt"
    "time"
)

func hello() {  
    fmt.Println("Hello world goroutine")
}
func main() {  
    go hello()
    time.Sleep(1 * time.Second)
    fmt.Println("main function")
}

執行結果：

在上面的程式中，我們已經呼叫了時間包的Sleep方法，它會在執行過程中睡覺。在這種情況下，main的goroutine被用來睡覺1秒。現在呼叫go hello()有足夠的時間在main Goroutine終止之前執行。這個程式首先列印Hello world goroutine，等待1秒，然後列印main函數。

1.4 啓動多個Goroutines

範例程式碼：

package main

import (  
    "fmt"
    "time"
)

func numbers() {  
    for i := 1; i <= 5; i++ {
        time.Sleep(250 * time.Millisecond)
        fmt.Printf("%d ", i)
    }
}
func alphabets() {  
    for i := 'a'; i <= 'e'; i++ {
        time.Sleep(400 * time.Millisecond)
        fmt.Printf("%c ", i)
    }
}
func main() {  
    go numbers()
    go alphabets()
    time.Sleep(3000 * time.Millisecond)
    fmt.Println("main terminated")
}

執行結果：

1 a 2 3 b 4 c 5 d e main terminated

時間軸分析：