Go语言: 万物皆异步

2018.5.29更新:
修正了对go协程调度器描述上的错误。

2018.11.7更新:
添加了对网络I/O的说明

同步和异步、阻塞和非阻塞

首先要明确的是，同步(Synchronous)和异步(Asynchronous)，阻塞(Blocking)和非阻塞(Non-Blocking)是两种完全不同的概念。前者指的是一种事件通知、处理机制，而后者则是程序控制流程的差异。

我们以A调用B为例来说明两者之间的区别：

• 阻塞
  只有当B任务完成后，程序控制权才会返回给A, A得以继续执行。

• 非阻塞
  B马上返回，此时B并没有完成，但A可以继续执行，B任务并不影响
  A的执行。

• 同步
  A需要通过某种方式主动查询B是否完成。在blocking模式中，它表现为等待B返回；在non-blocking模式中表现为通过Future对象询问B是否完成，如果完成则取出结果，未完成则等待(阻塞)。

• 异步
  A在启动B任务时就不管了，继续执行自己的任务，当B完成时，由操作系统主动通知A，告知B已经完成。A可以在适宜的时候取出B的执行结果。在这种模式下，A完全不会因为B的执行而影响自己。

异步是解决web应用高并发的唯一方案

“传统的”一线程对一请求的模型直接决定了单机并不能处理过多的并发请求，而且这种模型下会导致很大的线程资源浪费。这里面原因有二：一是每条线程占用要使用较多的内存，在JVM中每创建一个线程就要消耗2M多的heap，于是内存大小就变成线程数量的瓶颈；二是当线程数据超过CPU核心数时，频繁的线程切换会变成一笔可观的开销，而且当你的程序因为查询数据库、执行RPC调用阻塞当前线程时，这个线程是完全不能运行的，不仅白白占用了内存，还增加了Context Switch的次数。

异步并不能加快你对于单个请求的处理速度，但是它能最大化的消灭资源浪费，从而大大提高单机并发极限。

Go的世界中，万物皆异步

Go中只有协程，而协程本质上就是异步。

为什么这么说呢？首先我们知道，协程(routine)跟线程是多对一的关系，routine本身不会被调度执行，它只能依靠操作系统的线程来运行。一个线程可以执行多个routine, Go运行时调度器负责进行调度处理。routine只有三种情况需要让出执行权，分别是system call, 锁竞争和主动让出执行权力。

• system call
  当发生系统调用时，执行当前routine的线程会block这是没得商量的，但go运行时会从它维护的线程池中取出一条空闲线程继续执行其它routine, 这样就做到了即使你block了routine，也不会影响其它routine的执行。这里可以类比于Netty中的I/O线程，如果你代码block了，则会卡住其他任务的执行，否则你必须在自己的线程池中执行会产生block的代码。

• 网络I/O
  调用net包下的网络I/O操作是不会阻塞线程的。当发起网络I/O请求时，go运行时会通过操作系统提供的epoll机制注册I/O事件，不会挂起实际干活的线程，只会切换goroutine而已。

• 竞争
  无论是锁竞争还是读写channel而导致routine被挂起，其背后的线程都是不会有任何block的，在OS看来线程一直在正常运行，从而大大降低了线程上下文切换的开销。

• 主动让出执行权
  同上面的竞争，主动让出执行权时背后的线程同样不会block。

仔细想想看，这跟前面讲的异步不是几乎一样的逻辑吗？区别是，Go语言中是Go自己的调度器来通知routine等待的IO事件是否完成，而其它非协程语言则是OS来通知。

因此，Go中我们虽然在以同步的方式编写代码，但却与异步有着异曲同工之妙。