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Processes进程

起初，计算机在批处理模式下一个一个地执行任务。后来在上世纪60年代开发了多任务分时操作系统，在70年代 被广泛用于网络服务器、ftp、telnet、以及后来地httpd上，httpd使用fork子进程的方式来处理每个网连接。

在分时系统上，系统记录当前执行进程的状态，然后在不同进程之间快速切换以便让CPU去执行每个进程，这样便达到了并发执行的效果。切换的过程称作上下文切换

Context switching上下文切换

上下文切换需要付出3个代价：

• 内核需要为当前执行的进程保存其所有CPU寄存器的内容，然后加载需要执行进程的所有寄存器值。由于进程的切换可能出现在进程执行过程的任意时刻，所有操作系统必须保存所有寄存器内容。
• 操作系统内核需要清除CPU的虚拟内存到物理内存的映射（TLB cache）。
• 操作系统上下文切换开销，以及调度器选择进程占用CPU的开销。

Threads线程

由于进程切换代价太大，由此出现了线程。线程的概念和进程差不多，不同的是线程之间共享内存空间，这样的话，相比之下，线程比进程切换轻量一些。
但是线程同样需要上下文切换，许多状态也需要保存和重新加载。
goroutine在线程的基础上又向前走了一步。

Goroutines

goroutines没有依赖操作系统内核去管理分时调度，而是依赖自身的合作调度（cooperatively scheduled）。Go runtime scheduler会合理地调度goroutines，当goroutine出现一下情况时开始调度：

• channel的send和receive操作被阻塞。
• 使用go关键字创建新routine
• 文件或者网络IO操作
• 垃圾回收循环

在Go运行时中，多个goroutine复用单个操作系统线程。这样，goroutine的创建和切换就非常轻便。正常情况下，一个进程下，可以有上万个goroutine，甚至上十万级。

从语言角度看，Go调度像是函数调用。编译器知道在用的寄存器并且会自动保存他们。
Go调度器使用一个线程时会保持一个goroutine 栈，但是返回时可能时一个不同的goroutine栈。这就好比在多线程程序里，一个线程可能会在任意时刻被抢占。

Go运行时将运行中的goroutine合理安排给一个空闲的线程，这样一个Go进程里就会有相对较少的线程。

栈管理（Stack management）

上面讲到了goroutine如何减少了管理成千上万线程的开销，下面从栈管理上了解一下goroutine。

进程地址空间

上图是一个典型的进程内存布局图。在进程的内存空间中，堆内存在下面，和代码区一样。栈分配在虚拟内存的上方，由上向下分配。
为了避免堆内存和栈“撞车“，操作系统会安排一块“guard page“的区域，这块区域不可访问。

线程栈

线程之间公用进程的地址空间，每个线程也有自己的栈和“guard page“。

由于每个线程需要的栈大小不可预估，为了防止“撞到“gard page，一般会把每个线程栈分配的很大，这样以来整个进程的可用地址空间就很小了。

Goroutine 栈

每个goroutine开始执行的时候从堆中分配一块小的栈，Go1.5版本分配2k。

goroutine不再使用guard pages，而是在函数执行之前先调用一个检测函数来确定是否有足够栈空间，如果有就正常执行。如果没有，Go运行时从堆中分配一块较大的栈，把当前执行的栈内容拷贝到新分配的栈中，然后重新执行函数。
这样的机制保证了goroutine的起始栈可以相对较小，然后随着需求来增加。所以说，在Go程序员来说goroutine相当轻便。

update 2020.08.26

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