Golang并发编程进阶指南：探讨Goroutines的抢占式调度

1. Goroutines是什么？

Goroutines是Go语言中轻量级的线程实现，它是Go语言并发编程的核心。

每个Goroutine都是一个受Go语言调度器控制的运行过程，Go语言的并发模型采用了抢占式调度，也就是说Go语言调度器决定哪个Goroutine运行。一个Goroutine不会阻断其他Goroutine的运行，遇到I/O操作或阻塞的情况时，Goroutine会自动释放CPU资源。

func main() {
    go func() {
        fmt.Println("Goroutine1")
    }()
    go func() {
        fmt.Println("Goroutine2")
    }()
    time.Sleep(time.Second)
}

上述代码中，我们启动了两个Goroutine，它们并发地打印出"Goroutine1"和"Goroutine2"。由于Go语言采用抢占式调度，我们无法预测Goroutine1和Goroutine2的打印顺序，它们之间可能会交替打印。

2. Goroutines的抢占式调度

2.1 调度器的几个概念

在深入探讨Goroutines的抢占式调度前，我们需要先了解调度器的几个概念。

GOMAXPROCS

GOMAXPROCS表示可以同时运行的最大CPU数量，它能够控制调度器并行工作的数量。默认情况下，GOMAXPROCS的值等于CPU核心数。

P

P即processor，是执行Goroutines的线程，每个P都有一个对应的队列M（machine），M是一个实际的线程，通过它来执行Goroutines。多个P和M共同组成Go语言的调度器结构。

G

G即goroutine，在Go语言中所有的并发操作都是以Goroutine的形式完成的，GORoutine抢占式调度的时候，由于Goroutine很轻量，所以消耗资源很低，可以同时启动大量的Goroutine。

2.2 Goroutines的抢占式调度流程

了解了上述概念后，我们可以来看一下Goroutines的抢占式调度流程。

Goroutine进入Runnable状态

当一个Goroutine创建时，它处于Runnable状态，等待调度器的执行。

Goroutine被调度器调度到P

当一个Goroutine被调度时，调度器会选择一个P，并将该Goroutine添加到该P的队列中。

P执行Goroutine

P会从自己的队列中弹出一个Goroutine并执行。在执行Goroutine时，如果Goroutine遇到了I/O操作或阻塞的情况，它会自动释放P并进入Wait状态，等待下一次调度。

调度器释放P

当P释放Goroutine时，调度器会将该Goroutine放回队列中，等待被其他P调度执行。

2.3 需谨慎的阻塞操作

由于Go语言采用的是抢占式调度，因此在使用阻塞操作时需要特别注意，习惯性使用阻塞操作可能会影响并发效率。

阻塞操作会将Goroutine从P中剥离，并进入Wait状态，当等待条件满足后，Goroutine才进入Runnable状态，等待调度器调度。在等待条件满足的这段时间内，Goroutine所绑定的P无法执行其他任务。

因此，如果只是简单的阻塞等待，可以使用无阻塞方式等待或使用channel传递消息等方式实现。

// 错误示例：使用time.Sleep()作为简单的等待方式
func main() {
    go func() {
        fmt.Println("Goroutine1")
        time.Sleep(time.Second)  // 阻塞等待
        fmt.Println("Goroutine1 Done")
    }()
    go func() {
        fmt.Println("Goroutine2")
        time.Sleep(time.Second)  // 阻塞等待
        fmt.Println("Goroutine2 Done")
    }()
    time.Sleep(time.Second * 2)
}
// 正确示例：使用channel传递消息作为等待方式
func main() {
    var wg sync.WaitGroup
    done := make(chan bool)
    wg.Add(2)
    go func() {
        fmt.Println("Goroutine1")
        <-done  // 无阻塞等待
        fmt.Println("Goroutine1 Done")
        wg.Done()
    }()
    go func() {
        fmt.Println("Goroutine2")
        <-done  // 无阻塞等待
        fmt.Println("Goroutine2 Done")
        wg.Done()
    }()
    time.Sleep(time.Second)
    close(done)
    wg.Wait()
}

3. 总结

抢占式调度是Go语言并发编程的重要特性之一，通过合理的使用Goroutines，我们可以使程序更加高效地利用CPU资源。

同时，对于阻塞操作的使用需要特别注意，合理地设置阻塞操作是提高并发效率的一个关键因素。