字节一面:go的协程相比线程,轻量在哪?

1. 用户态和内核态

Linux整个体系分为用户态和内核态(或者叫用户空间和内核空间), 那内核态究竟是什么呢?

本质上我们所说的内核态, 它是一种特殊的软件程序,特殊在哪?
统筹计算机的硬件资源,例如协调CPU资源、分配内存资源、并且提供稳定的环境供应用程序运行。

2. 为什么线程切换会导致用户态和内核态的切换?

  • 线程是cpu调度的基本单位,进程是资源占有的基本单位。
  • 因为线程中的代码是在用户态运行,而线程的调度是在内核态,所以线程切换会触发用户态和内核态的切换。
  • 线程上下文切换的代价是高昂的:上下文切换的延迟取决于不同的因素,大概是50到100 ns左右,考虑到硬件平均在每个核心上每ns执行12条指令,那么一次上下文切换可能会花费600到1200条指令的延迟时间。

3. 导致线程上下文切换的时机

<1>. 自发性上下文切换 自发性上下文切换指线程由于自身因素导致的切出
Thread.sleep() 线程主动休眠
object.wait() 线程等待锁
Thread.yield() 当前线程主动让出CPU,如果有其他就绪线程就执行其他线程,如果没有则继续当前线程
oThread.join() 阻塞发起调用的线程,直到oThread执行完毕

<2>. 非自发性上下文切换:线程由于线程调度器的原因被迫切出
线程的时间片用完
高优先级线程抢占
虚拟机的垃圾回收动作

4. 线程切换的开销

<1>. 直接开销
保存/恢复上下文所需的开销
线程调度器调度线程的开销
<2>. 间接开销
重新加载高速缓存
上下文切换可能导致 一级缓存被冲刷,写入下一级缓存或内存

5. go的协程轻量级体现在哪?

如上面所述,线程切换会导致 用户态和内核态的切换,其中内核态耗时较长,且不受用户代码控制。

go将goroutine的调度维持在用户态, 这是由GPM中的P Process来完成的,做用户态任务的调度器,功能类比于常规的操作系统线程调度器,所以又被称为逻辑处理器。

(1) 上下文切换代价小: P 是G、M之间的桥梁,调度器对于goroutine的调度,很明显也会有切换,这个切换是很轻量的: 只涉及PC SP DX三个寄存器的值的修改;
而对比线程的上下文切换则需要陷入内核模式、以及16个寄存器的刷新。

(2) 内存占用小: 线程栈空间通常是2M, Goroutine栈空间最小是2k, golang可以轻松支持10w+的goroutine运行,而线程数量到达1k, 内存占用就到2G。

6. GO GMP 调度方式

  • 由逻辑处理器P调度协程G进系统线程M (若本地队列没有G,从其他队列/全局队列偷取G),
  • 线程M执行G, 遇到[系统调用], G和M分离,拿新的M去接管原逻辑处理器P

请仔细阅读上图,出处不可考证,感谢原图作者。

这里特意指出网络IO操作不会走上图的模型,否则要分配的系统线程M依然很多,程序很快就爆满了。这时G会和逻辑处理器P分离,并移动到netpoller,一旦网络轮询器通知网络读/写就绪,对应G就会重新分配到逻辑器处理器上来完成操作, 在此期间原系统线程M可以去做别的G。

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