Go goroutine机理

协程

协程，也称为轻量级线程，具备以下几个特点：

• 能够在单一的系统线程中模拟多个任务的并发执行；

• 在一个特定的时间，只有一个任务在运行，即并非真正地并行；

• 被动的任务调度方式，即任务没有主动抢占时间片的说法。当一个任务正在执行时，外部没有办法中止它。要进行任务切换，只能通过由该任务自身调用yield()来主动出让CPU使用权；

• 每个协程都有自己的堆栈和局部变量；

每个协程都包含3种运行状态：挂起、运行和停止。停止通常表示该协程已经执行完成(包括遇到问题后明确退出执行的情况),挂起则表示该协程尚未执行完成，但出让了时间片，以后有机会时会由调度器继续执行。

协程库(libtask)

libtask库的下载地址是：http://swtch.com/libtask/，这个库的作者使用的是非常开放的授权协议，因此可以随意修改和使用这些代码，但是必须保持该份代码所附带的版权声明。

这个libtask库实现了以下几个关键模块：

• 任务及任务管理

• 任务调度器

• 异步IO

• channel

这个静态库直接提供了一个main()入口函数作为协程的驱动，因此库的使用者只需按该库约定的规则实现任务函数taskmain(),启动后这些任务自然会被以协程的方式创建和调度执行。taskmain()函数的声明如下：

先来看一下简单的C程序例子：

该程序从命令行得到一个整型数作为质数的查找范围，比如用户输入了100,则该程序会列出0到100之间的所有质数。

将以上代码翻译成Go语言代码，如下：

任务

从上面的例子可以看出，在实现了一个任务函数后，真要让这个函数加入到调度队列中，我们还需要显式调用taskcreate()函数。下面我们大致介绍一下任务的概念，以及taskcreate()到底做了哪些事情。

任务用以下的结构表达：

可以看到，每一个任务需要保存以下这几个关键数据：

• 任务上下文，用于在切换任务时保持当前任务的运行环境；

• 栈

• 状态

• 该任务所对应的业务函数

• 任务的调用参数

• 之前和之后的任务

下面我们再来看一下任务的创建过程：

可以看到，这个过程其实就是创建并设置了一个Task对象，然后将该对象添加到alltask列表中，接着将该Task对象的状态设置为就绪，表示该任务可以接受调度器的调度。

任务调度

调度器的代码实现如下：


逻辑其实很简单，就是循环执行正在等待中的任务，直到执行完所有的任务后退出。读者可能会觉得奇怪，这个函数里根本没有调用任务所对应的业务函数的代码，那么那些代码到底是怎么执行的呢？最关键的是下面这一句调用：

上下文切换

taskstart()函数的具体实现代码：

我们知道，在任务执行过程中发生任务切换只会因为以下原因之一：

• 该任务的业务代码主要要求切换，即主动让出执行权；

• 发生了IO，导致执行阻塞。

主动出让执行权通过主动调用taskyield()来完成。在下面的代码中，taskswitch()切换上下文以具体做到任务切换，taskready()函数将一个具体的设置为等待执行状态，tasksyield()则借助其他的函数完成执行权出让：

上面的代码做了这几件事情：

• 将正在执行的任务放回到等待队列中，免得永远无法再切换回来；

• 将该任务的状态设置为yield;

• 进行任务切换

libtask库中的fd.c进行了基于轮询的异步IO封装，并在tcpproxy.c中示范了如何使用异步IO来达成自动出让执行权的效果。


当发生IO事件时，程序会先让其他处于yield状态的任务先执行，待清理掉这些可以执行的任务后，开始调用poll来监听所有处于IO阻塞状态的pollfd，一旦有某些pollfd成功读写，则将对应的任务切换为可调度状态。

通信机制

我们知道，channel是推荐的goroutine之间的通信方式。而实际上，“通信”这个术语并不太适用。从根本上来说，channel只是一个数据结构，可以被写入数据，也可以被读取数据。所谓的发送数据到channel，或者从channel读取数据，说白了就是对一个数据结构的操作，仅此而已。

下面我们就来看看channel的数据结构：

可以看到channel的基本组成如下：

• 内存缓存，用于存放元素

• 发送队列

• 接受队列

从以下这个channel的创建函数可以看出，分配的内存缓存就紧跟在这个channel结构之后：