php协程和goroutine,浅谈协程和Go语言的Goroutine

0x00.前言

前面写了一篇

今天来学习Go语言的Goroutine机制，这也可能是Go语言最为吸引人的特性了，理解它对于掌握Go语言大有裨益，话不多说开始吧！

通过本文你将了解到以下内容：什么是协程以及横向对比优势

Go语言的Goroutine机制底层原理和特点

0x01.聊聊协程

大家对于进程、线程二位明星都很熟悉，但协程就没有火了，是协程不是携程哦！

协程并不是Go语言特有的机制，相反像Lua、Ruby、Python、Kotlin、C/C++等也都有协程的支持，区别在于有的是从语言层面支持、有的通过插件类库支持。Go语言是原生语言层面支持，本文也是从Go角度去理解协程。

1.1 协程基本概念和提出者

协程英文是Coroutine译为协同程序，我们来看下维基百科对Coroutine的介绍：Coroutines are computer program components that generalize subroutines for non-preemptive multitasking, by allowing execution to be suspended and resumed.

Coroutines are well-suited for implementing familiar program components such as cooperative tasks, exceptions, event loops, iterators, infinite lists and pipes.

According to Donald Knuth, Melvin Conway coined the term coroutine in 1958 when he applied it to construction of an assembly program.The first published explanation of the coroutine appeared later, in 1963.

简单翻译一下：协同程序是一种计算机程序组件，它允许暂停和恢复执行，从而可以作为通用化的非抢占式多任务处理子程序。

协同程序非常适合实现例如协作任务、异常、事件循环、迭代器、管道等熟悉的程序组件。

根据唐纳德·克努特的说法，梅尔文·康威在1958年将Coroutine这个术语应用于装配程序的构建，直到在1963年才首次发表了阐述Coroutine的论文。

协程的提出者梅尔文·爱德华·康威是一位计算机科学家，除了协程之外他还创造了Conway's Law康威定律，他基于社会学观察提出了系统设计的一些观点，本文就不展开了，感兴趣的可以看下作者的论文How Do Committees Invent?：

1.2 协程和进线程的对比

我们来复习一下进线程和协程的一些基本特点吧:进程是系统资源分配的最小单位, 进程包括文本段text region、数据段data region和堆栈段stack region等。进程的创建和销毁都是系统资源级别的，因此是一种比较昂贵的操作，进程是抢占式调度其有三个状态:等待态、就绪态、运行态。进程之间是相互隔离的，它们各自拥有自己的系统资源, 更加安全但是也存在进程间通信不便的问题。

进程是线程的载体容器，多个线程除了共享进程的资源还拥有自己的一少部分独立的资源，因此相比进程而言更加轻量，进程内的多个线程间的通信比进程容易，但是也同样带来了同步和互斥的问题和线程安全问题，尽管如此多线程编程仍然是当前服务端编程的主流，线程也是CPU调度的最小单位，多线程运行时就存在线程切换问题，其状态转移如图：

协程在有的资料中称为微线程或者用户态轻量级线程，协程调度不需要内核参与而是完全由用户态程序来决定，因此协程对于系统而言是无感知的。协程由用户态控制就不存在抢占式调度那样强制的CPU控制权切换到其他进线程，多个协程进行协作式调度，协程自己主动把控制权转让出去之后，其他协程才能被执行到，这样就避免了系统切换开销提高了CPU的使用效率。

抢占式调度和协作式调度的简单对比：

看到这里我们不免去想：看着协作式调度优点更多，那么为什么一直是抢占式调度占上风呢？让我们继续一起学习，可能就能解答这个问题了。

1.3 实际工作中的我们

我们写程序的时经常需要考虑的因素就是提高机器使用率，这个非常好理解。当然机器使用率和开发效率维护成本往往存在权衡，说句大白话就是：要么费人力要么费机器，选一个吧！

机器成本里面最贵的就是CPU了，程序一般分为CPU密集型和IO密集型，对于CPU密集型我们的优化空间可能没那么多，但对于IO密集型却有非常大的优化空间，试想我们的程序总是处于IO等待中让CPU呼呼睡大觉，那该多糟糕。

为了提高IO密集型程序的CPU使用率，我们尝试多进程/多线程编程等让多个任务一起跑分时复用抢占式调度，这样提高了CPU的利用率，但由于多个进线程存在调度切换，这也有一定的资源消耗，因此进线程数量不可能无限增大。

我们现在写的程序大部分都是同步IO的，效率还不够高，因此出现了一些异步IO框架，但是异步框架的编程难度比同步框架要大，但不可否认异步是一个很好的优化方向，先不要晕，来看下同步IO和异步IO就知道了：同步是指应用程序发起I/O请求后需要等待或者轮询内核I/O操作完成后才能继续执行，异步是指应用程序发起I/O请求后仍继续执行，当内核I/O操作完成后会通知应用程序或者调用应用程序注册的回调函数。

我们以C/C++开发的服务端程序为例，Linux的异步IO出现的比较晚，因此像epoll之类的IO复用技术仍然有相当大的地盘，但是同步IO的效率毕竟不如异步IO，因此当前的优化方向包括：异步IO框架(像boost.asio框架)和协程方案(腾讯libco)。