Go并发编程——goroutine(上)

1. 在讨论如何在Go中进⾏并发处理之前，我们⾸先必须了解什么是并发，以及它与并⾏性有什么不同。(Go is a concurrent language and not a parallel one. )
2. 并发性Concurrency

• 把任务在不同的时间点交给处理器进⾏处理。在同⼀个时间点，任务不会同时运⾏。
• 并发性是同时处理许多事情的能⼒。
• 举个例⼦，打电话和吃饭。吃饭时，电话来了，需要停⽌吃饭去接电话。电话接完后回来继续吃饭，这个过程是并发执⾏。

3. 并⾏性parallelism

• 并⾏是把⼀个任务分配给每⼀个处理器独⽴完成。在同⼀个时间点，任务⼀定是同时运⾏。
• 并⾏就是同时做很多事情。这听起来可能与并发类似，但实际上是不同的。
• ⽤同样打电话和吃饭的例⼦去理解。吃饭时，电话来了，边吃饭边接电话，这个过程是并⾏执⾏。这就是所谓的并⾏性(parallelism)。
• Go在Gomaxprocs数量与任务数量相等时，可以做到并⾏执⾏，但是⼀般情况下都是并发执⾏。

4. 并发性和并⾏性——⼀种技术上的观点。

• 假设我们正在编写⼀个web浏览器。web浏览器有各种组件，其中两个是web⻚⾯呈现区域和从internet下载⽂件的下载器。
  • 当这个浏览器运⾏在单个核处理器中时，处理器将在浏览器的两个组件之间进⾏上下⽂切换。它可能会下载⼀个⽂件⼀段时间，然后它可能会切换到呈现⽤户请求的⽹⻚的html。这就是所谓的并发性。并发进程从不同的时间点开始，它们的执⾏周期重叠。在这种情况下，下载和呈现从不同的时间点开始，它们的执⾏重叠。
  • 假设同⼀浏览器运⾏在多核处理器上。在这种情况下，⽂件下载组件和HTML呈现组件可能同时在不同的内核中运⾏。这就是所谓的并⾏性。
  • 并⾏性Parallelism不会总是导致更快的执⾏时间。
    • 这是因为并⾏运⾏的组件可能需要相互通信。例如，在我们的浏览器中，当⽂件下载完成时，应该将其传递给⽤户，⽐如使⽤弹出窗⼝。这种通信发⽣在负责下载的组件和负责呈现⽤户界⾯的组件之间。当组件在多个内核中并⾏运⾏时，这种通信开销很⾼。因此，并⾏程序并不总是导致更快的执⾏时间!
    • 这种通信开销在并发concurrent 系统中很低。
• 在单CPU上，是os代码强制把⼀个进程或者线程挂起，换成另外⼀个，所以实际上是并发的，只是“概念上的并⾏”。在现在的多核的cpu上，线程可能是“真正并⾏的”。
  

1. 并发指在同⼀时间内可以执⾏多个任务。

• 并发编程含义⼴泛，可以是多线程编程，也可以是多进程编程，还可以是编写分布式程序。
• 并发编程的思想来⾃于多任务操作系统，它允许同时运⾏多个程序。
• 早期单⽤户操作系统，任务是⼀个接⼀个运⾏，单个任务的执⾏完全是串⾏的。只有在⼀个任务运⾏完成之后，另⼀个任务才会被读取。
• 多任务操作系统则允许终端⽤户同时运⾏多个程序。当⼀个程序暂时不需要使⽤CPU的时候，系统会把该程序挂起或中断，以使其他程序可以使⽤CPU。
• 最早⽀持并发编程的计算机编程语⾔是汇编语⾔。
• 串⾏程序特指只能被顺序执⾏的指令列表，并发程序则是可以被并发执⾏的多个串⾏程序的综合体。因此并发程序内部会被划分为多个部分，每个部分都可以看做⼀个串⾏程序。
• 串⾏程序中的所有代码的先后顺序都是固定的，⽽并发程序中只有部分代码是有序的。这⼀特性被称为不确定性。这导致并发程序每次运⾏的代码执⾏路径都是不同的，即便输⼊数据相同也会如此。

2. Go语⾔通过编译器运⾏时runtime，从语⾔上⽀持并发的特性。
3. Go语⾔的并发通过Goroutine特性完成。

1. 进程（process）和线程（thread）

• 进程和线程是操作系统级别的两个基本概念。
• 计算机的核⼼是CPU，它承担了所有的计算任务。它就像⼀座⼯⼚，时刻在运⾏。
• 进程就好⽐⼯⼚的⻋间，它代表CPU所能处理的单个任务。进程是⼀个容器。
• 线程就好⽐⻋间⾥的⼯⼈。⼀个进程可以包括多个线程。线程是容器中的⼯作单位。
• ⼀个进程的内存空间是共享的，每个线程都可以使⽤这些共享内存。就如同⻋间的空间是⼯⼈们共享的，许多房间是每个⼯⼈都可以进出的。
• ⻋间的每个房间⼤⼩不同，有些房间最多只能容纳⼀⼈，⽐如厕所。⾥⾯有⼈的时候，其他⼈就不能进去了。这代表⼀个线程使⽤某些共享内存时，其他线程必须等它结束，才能使⽤这⼀块内存。防⽌他⼈进⼊的简单⽅法，就是⻔⼝加⼀把锁。先到的⼈锁上⻔，后到的⼈看到上锁，就在⻔⼝排队，
  等锁打开再进去。这就叫"互斥锁"（Mutual exclusion，缩写 Mutex），防⽌多个线程同时读写某⼀块内存区域。
• 还有些房间，可以同时容纳n个⼈，⽐如厨房。如果⼈数⼤于n，多出来的⼈只能在外⾯等着。这好⽐某些内存区域，只能供给固定数⽬的线程使⽤。这时的解决⽅法，就是在⻔⼝挂n把钥匙。进去的⼈就取⼀把钥匙，出来时再把钥匙挂回原处。后到的⼈发现钥匙架空了，就知道必须在⻔⼝排队等着了。这种做法⽤来保证多个线程不会互相冲突。

2. 进程的定义

• 进程是程序的⼀次动态执⾏过程；
• 进程需要经历从代码加载、代码执⾏到执⾏完毕的⼀个完整过程，这个过程也就是进程本身从产⽣、发展到消亡的过程；
• 每个运⾏中的程序就是⼀个进程；
• 进程是⼀个实体。每⼀个进程都有它⾃⼰的地址空间，⼀般情况下，包括⽂本区域（text region）、数据区域（data region）和堆栈（stackregion）；
• 进程在系统中独⽴存在，拥有⾃⼰独⽴的资源，多个进程可以在单个处理器上并发执⾏且互不影响；
  操作系统可以同时执⾏多个任务，每个任务就是进程。
• 进程状态：进程有三个状态：就绪、运⾏和阻塞。
• 就绪状态其实就是获取了除CPU之外的所有资源，只要处理器分配资源就可以⻢上执⾏。就绪状态有排队序列什么的，排队原则不再赘述；
• 运⾏态就是获得了处理器分配的资源，程序开始执⾏；
• 阻塞态，当程序条件不够时候，需要等待条件满⾜时候才能执⾏，如等待i/o操作时候，此刻的状态就叫阻塞态。

3. 线程

• 线程是CPU的基本调度单位；
• 线程是在进程之后发展出来的概念，线程也叫轻量级进程；
• 通常⼀个进程包含若⼲个线程，当然⼀个进程中⾄少有⼀个线程，不然没有存在的意义；
• 线程可以利⽤进程所拥有的资源，在引⼊线程的操作系统中，通常都是把进程作为分配资源的基本单位，⽽把线程作为独⽴运⾏和独⽴调度的基本单位；
• 由于线程⽐进程更⼩，基本上不拥有系统资源，故对它的调度所付出的开销就会⼩得多，能更⾼效的提⾼系统多个程序间并发执⾏的程度。
• 例如：杀毒软件程序是⼀个进程，该程序在为计算机进⾏检查的同时，可以清理垃圾⽂件，并进⾏⽇志记录。检查计算机、清理垃圾⽂件、⽇志记录这就是线程。
• 例如：启动word⽂档就是运⾏了⼀个进程，⽂字录⼊时，可以进⾏拼写错误检查，并使⾸字⺟⼤写。⽂字录⼊、拼写错误检查、⾸字⺟⼤写就属于word操作进程中的线程。

1、进程和线程的主要差别在于它们是不同的操作系统资源管理⽅式。
进程有独⽴的地址空间，⼀个进程崩溃后，在保护模式下不会对其它进程产⽣影响，⽽线程只是⼀个进程中的不同执⾏路径。线程有⾃⼰的堆栈和局部变量，但线程之间没有单独的地址空间，⼀个线程死掉就等于整个进程死掉，所以多进程的程序要⽐多线程的程序健壮，但在进程切换时，耗费资源较⼤，效率要差⼀些。但对于⼀些要求同时进⾏并且⼜要共享某些变量的并发操作，只能⽤线程，不能⽤进程。

1. 简⽽⾔之，⼀个程序⾄少有⼀个进程，⼀个进程⾄少有⼀个线程；
2. 线程的划分尺度⼩于进程，使得多线程程序的并发性⾼；
3. 另外，进程在执⾏过程中拥有独⽴的内存单元，⽽多个线程共享内存，从⽽极⼤地提⾼了程序的运⾏效率。
4. 线程在执⾏过程中与进程还是有区别的。每个独⽴的进程有⼀个程序运⾏的⼊⼝、顺序执⾏程序。但是线程不能够独⽴执⾏，必须依存在应⽤程序中，由应⽤程序提供多个线程执⾏控制。
5. 从逻辑⻆度来看，多线程的意义在于⼀个应⽤程序中，有多个执⾏部分可以同时执⾏。但操作系统并没有将多个线程看做多个独⽴的应⽤，来实现进程的调度和管理以及资源分配。这就是进程和线程的重要区别。
   6）线程执⾏开销⼩，但不利于资源的管理和保护；⽽进程正相反。同时，线程适合于在SMP(多核处理机)机器上运⾏，⽽进程则可以跨机器迁移。

1. 进程和线程都是⼀个时间段的描述，是CPU⼯作时间段的描述，不过是颗粒⼤⼩不同。

• CPU+RAM+各种资源（⽐如显卡、GPU）构成我们的电脑，但是电脑的运⾏，实际就是CPU和相关寄存器以及RAM之间的事情。
• ⼀个最最基础的事实：CPU太快，太快，太快了，寄存器仅仅能够追的上他的脚步，RAM和别的挂在各总线上的设备完全是望其项背。那当多个任务要执⾏的时候怎么办呢？轮流着来?或者谁优先级⾼谁来？不管怎么样的策略，⼀句话就是在CPU就是轮流着来。
• ⼀个必须知道的事实：执⾏⼀段程序代码，实现⼀个功能的过程介绍 ，当得到CPU的时候，相关的资源必须也已经就位，就是显卡啊，GPU什么的必须就位，然后CPU开始执⾏。这⾥除了CPU以外所有的就构成了这个程序的执⾏环境，也就是我们所定义的程序上下⽂。当这个程序执⾏完了，或者分配给他的CPU执⾏时间⽤完了，那它就要被切换出去，等待下⼀次CPU的临幸。在被切换出去的最后⼀步⼯作就是保存程序上下⽂，因为这个是下次他被CPU临幸的运⾏环境，必须保存。
• 串联起来的事实：前⾯讲过在CPU看来所有的任务都是⼀个⼀个的轮流执⾏的，具体的轮流⽅法就是：先加载程序A的上下⽂，然后开始执⾏A，保存程序A的上下⽂，调⼊下⼀个要执⾏的程序B的程序上下⽂，然后开始执⾏B,保存程序B的上下⽂。。。。
• 进程就是包换上下⽂切换的程序执⾏时间总和 = CPU加载上下⽂ + CPU执⾏ + CPU保存上下⽂
• 线程是什么呢？
  • 进程的颗粒度太⼤，每次都要有上下的调⼊，保存，调出。如果我们把进程⽐喻为⼀个运⾏在电脑上的软件，那么⼀个软件的执⾏不可能是⼀条逻辑执⾏的，必定有多个分⽀和多个程序段，就好⽐要实现程序A实际分成 a，b，c等多个块组合⽽成。那么这⾥具体的执⾏就可能变成：程序A得到CPU -> CPU加载上下⽂，开始执⾏程序A的a⼩段，然后执⾏A的b⼩段，然后再执⾏A的c⼩段，最后CPU保存A的上下⽂。
  • 这⾥a，b，c的执⾏是共享了A的上下⽂，CPU在执⾏的时候没有进⾏上下⽂切换的。这⾥的a，b，c就是线程，也就是说线程是共享了进程的上下⽂环境的更为细⼩的CPU时间段。

2. 操作系统的设计，可归结为三点：

• （1）以多进程形式，允许多个任务同时运⾏；
• （2）以多线程形式，允许单个任务分成不同的部分运⾏；
• （3）提供协调机制，⼀⽅⾯防⽌进程之间和线程之间产⽣冲突，另⼀⽅⾯允许进程之间和线程之间共享资源。