详解go语言是如何实现协程的_Golang

写在文章开头

go语言的精华就在于协程的设计，只有理解协程的设计思想和工作机制，才能确保我们能够完全的利用协程编写强大的并发程序。

详解协程工作机制和实现

协程示例

正式介绍底层之前，我们给出一段协程的代码示例，可以看到笔者开启一个协程进行函数内部调用：

func foo1() {
 fmt.println("foo1 调用 foo2")
 foo2()
}

func foo2() {
 fmt.println("foo2调用foo3")
 foo3()
}

func foo3() {
 fmt.println("foo3 执行了")
}

func main() {
 //设置waitgroup等待协程结束
 var wg sync.waitgroup
 wg.add(1)

 go func() {
  foo1()
  defer wg.done()
 }()

 //等待上述协程运行结束
 wg.wait()
}

运行结果如下:

foo1 调用 foo2
foo2调用foo3
foo3 执行了

结合debug我们可以看到当前协程的调用栈帧，在函数调用前插入一个goexit的东西，结合这一点我们开始对协程的深入剖析：

在这里插入图片描述

协程实现结构

在go语言的协程结构为:

通过一个stack记录其高地址和低地址。
通过sched的sp(即stackpointer)栈帧的指针和程序计数器pc(指向下一条运行的指令).
采用goid生成唯一标识。
然后再用atomicstatus记录其执行状态。

基于这几点我们结合上述的代码给出协程的底层结构，如下图所示，当前协程的stack记录整个foo1函数的高低地址，假设我们当前的协程go来到foo2函数准备调用foo3函数，我们的sched中的sp即stackpointer记录foo2的指针，同时因为foo2内部会调用foo3所以程序计数器pc记录着调用foo3的指令。

最后因为协程都是由线程调度的，所以协程的内部也有一个变量记录着当前线程的指针m：

到此我们了解了协程核心结构，同时我们也在runtime2.go这一文件中即给出上述所说的核心变量：

type g struct {
 //记录栈帧的高地址和低地址
 stack       stack   // offset known to runtime/cgo
 //......
 m         *m //执行当前协程的线程指针
 //记录当前堆栈的指针以及下一条指令的运行地址
 sched     gobuf
 atomicstatus atomic.uint32
 goid         uint64
 
 //......
}

步入stack可以看到lo和hi两个专门记录栈帧高低地址的指针：

type stack struct {
 lo uintptr
 hi uintptr
}

对应的我们也给出sched 的类型gobuf，可以看到sp和pc两个核心指针变量:

type gobuf struct {
 
 sp   uintptr
 pc   uintptr
 //......
}

谈谈go语言对于线程的抽象

上文我们提出线程的用m指针记录，如下源码所示，我们都知道在go语言中每个线程都会从一个协程队列中获取协程执行，所以执行时它会用curg记录当前运行的协程，然后通过id对自己进行唯一标识，而mos则是及记录当前操作系统信息，这其中最核心的就是g0它就是每一个线程的操作调度器：

type m struct {
 g0      *g     // goroutine with scheduling stack
 id            int64 
 
 curg          *g       // current running goroutine
 
 mos

}

了解整体结构之后我们再来聊聊go语言线程的g0栈是如何工作的，如下图所示，每一个g0栈都会通过schedule开始工作：

通过execute从协程队列中获取任务。
调用gogo方法在协程调用前插入go exit指针它记录g0栈帧，这个指针就是用于协程执行退出或者挂起是可以通过这个指针跳回g0栈。
然后就是执行当前协程。
协程执行完成切换回g0栈，重新调用schedule方法再次从步骤1开始执行，由此构成一个循环。

这里我们也给出asm_amd64.s中关于gogo的汇编代码，可以看到gobuf_sp方法它会记录当前stack pointer也就是我们上文针对g0所说的g0栈地址：

text gogo<>(sb), nosplit, $0
 get_tls(cx)
 movq dx, g(cx)
 movq dx, r14  // set the g register
 //记录g0栈地址
 movq gobuf_sp(bx), sp // restore sp
 movq gobuf_ret(bx), ax
 movq gobuf_ctxt(bx), dx
 movq gobuf_bp(bx), bp
 movq $0, gobuf_sp(bx) // clear to help garbage collector
 movq $0, gobuf_ret(bx)
 movq $0, gobuf_ctxt(bx)
 movq $0, gobuf_bp(bx)
 movq gobuf_pc(bx), bx
 jmp bx