前言：

先前學(xué)習(xí)到goroutine協(xié)程與channel調(diào)節(jié)并發(fā)同步時(shí)，有涉及到關(guān)于runtime包管理goroutine運(yùn)行時(shí)的知識(shí)點(diǎn)。由于沒(méi)有接觸過(guò)，并且出于goroutine的重要性（runtime聽(tīng)著很高大上）的原因，通過(guò)多方學(xué)習(xí)并博客記錄。

一、runtime包內(nèi)容學(xué)習(xí)

1、作用：

其作用主要是與程序的運(yùn)行時(shí)環(huán)境進(jìn)行交互，提供了一系列函數(shù)和變量，用于控制、管理和監(jiān)視程序的執(zhí)行：

① Goroutine和并發(fā)控制：

runtime包提供了一些函數(shù)來(lái)管理goroutine，如創(chuàng)建和銷毀goroutine、設(shè)置最大可同時(shí)執(zhí)行的CPU數(shù)目等，以及用于并發(fā)控制的函數(shù)，如讓出CPU時(shí)間片、鎖定和解鎖goroutine到線程等。

package main

import (
    "fmt"
    "runtime"
    "time"
)

func worker() {
    defer fmt.Println("Worker exiting")
    runtime.Gosched() // 主動(dòng)讓出 CPU
    fmt.Println("Worker running")
}

func main() {
    go worker()
    time.Sleep(time.Second)
    fmt.Println("Number of goroutines:", runtime.NumGoroutine())
}

② 垃圾回收：

Go語(yǔ)言使用自動(dòng)垃圾回收機(jī)制來(lái)管理內(nèi)存，runtime包提供了手動(dòng)觸發(fā)垃圾回收、設(shè)置垃圾回收的百分比、獲取內(nèi)存統(tǒng)計(jì)信息等函數(shù)，用于對(duì)垃圾回收進(jìn)行調(diào)控和監(jiān)測(cè)。

func main() {
    var m runtime.MemStats
    runtime.ReadMemStats(&m)
    fmt.Printf("Allocated memory: %d bytes\n", m.Alloc)
    runtime.GC() // 手動(dòng)觸發(fā) GC
    runtime.ReadMemStats(&m)
    fmt.Printf("After GC: %d bytes\n", m.Alloc)
}

③ 棧和堆操作：

runtime包提供了函數(shù)來(lái)獲取當(dāng)前goroutine的堆棧信息、完整的堆棧跟蹤，以及對(duì)堆棧進(jìn)行分析和剖析的相關(guān)函數(shù)。

④ 系統(tǒng)信息和調(diào)試：

runtime包提供了獲取CPU核心數(shù)、CPU性能分析、調(diào)試信息等函數(shù)，可以用于獲取關(guān)于系統(tǒng)的一些基本信息和進(jìn)行程序的調(diào)試。

⑤ 錯(cuò)誤處理：

runtime包提供了獲取調(diào)用棧信息、根據(jù)PC地址獲取函數(shù)信息等函數(shù)，用于錯(cuò)誤處理和調(diào)試時(shí)追蹤錯(cuò)誤發(fā)生的位置。

func printStack() {
    var buf [4096]byte
    n := runtime.Stack(buf[:], false)
    fmt.Printf("Stack trace:\n%s\n", string(buf[:n]))
}

func main() {
    defer printStack()
    panic("Something went wrong!")
}

⑥ P操作：

runtime包提供了與處理器（P）的相關(guān)操作，如獲取可同時(shí)執(zhí)行的最大P數(shù)目、綁定goroutine到特定的P等。

⑦ 信號(hào)處理：

runtime包提供了處理C語(yǔ)言信號(hào)的函數(shù)，用于和外部C庫(kù)進(jìn)行交互時(shí)的信號(hào)處理。

通過(guò)使用runtime包提供的函數(shù)和變量，可以更控制程序的運(yùn)行時(shí)行為、優(yōu)化性能、處理錯(cuò)誤和調(diào)試問(wèn)題。但需要注意，對(duì)runtime包過(guò)度依賴可能會(huì)降低代碼的可移植性

2、相關(guān)函數(shù)：

runtime包提供了與程序運(yùn)行時(shí)環(huán)境交互的函數(shù)和變量，包含了與上述作用相關(guān)的函數(shù)：

① Goroutine相關(guān)：

goexit()：終止當(dāng)前goroutine的執(zhí)行。
GOMAXPROCS(n int)：設(shè)置可同時(shí)執(zhí)行的最大CPU數(shù)。
NumGoroutine()：返回當(dāng)前存在的goroutine數(shù)目。

② 垃圾回收：

GC(): 手動(dòng)觸發(fā)垃圾回收。
SetFinalizer(obj interface{}, finalizer interface{})：為對(duì)象設(shè)置一個(gè)垃圾回收的終結(jié)器（finalizer），當(dāng)對(duì)象被垃圾回收時(shí)，終結(jié)器會(huì)被調(diào)用。

③ 棧：

Stack(buf []byte, all bool): 返回當(dāng)前goroutine的堆棧信息。
StackTrace(p *Profiling):：返回當(dāng)前程序的完整堆棧跟蹤。

④ 內(nèi)存統(tǒng)計(jì)：

ReadMemStats(m *MemStats): 獲取當(dāng)前程序的內(nèi)存使用統(tǒng)計(jì)信息。

⑤ 并發(fā)控制：

LockOSThread(): 鎖定當(dāng)前goroutine到當(dāng)前線程上。
UnlockOSThread(): 解除當(dāng)前goroutine對(duì)當(dāng)前線程的鎖定。

（等）

同樣的，由于其對(duì)底層進(jìn)行交互，過(guò)多使用相關(guān)函數(shù)也會(huì)降低可移植性，開(kāi)發(fā)過(guò)程中需要注意。

3、幾個(gè)較為重要的函數(shù)：

① runtime.Gosched()：讓出CPU時(shí)間片，重新等待安排任務(wù)

package main

import (
    "fmt"
    "runtime"
)

func main() {
    go func(s string) {
        for i := 0; i < 2; i++ {
            fmt.Println(s)
        }
    }("world")
    // 主協(xié)程
    for i := 0; i < 2; i++ {
        // 切一下，再次分配任務(wù)
        runtime.Gosched()
        fmt.Println("hello")
    }
}

② runtime.Goexit()：退出當(dāng)前協(xié)程

package main

import (
    "fmt"
    "runtime"
)

func main() {
    go func() {
        defer fmt.Println("A.defer")
        func() {
            defer fmt.Println("B.defer")
            // 結(jié)束協(xié)程
            runtime.Goexit()
            defer fmt.Println("C.defer")
            fmt.Println("B")
        }()
        fmt.Println("A")
    }()
    for {
    }
}

③ runtime.GOMAXPROCS：

Go運(yùn)行時(shí)的調(diào)度器使用GOMAXPROCS參數(shù)來(lái)確定需要使用多少個(gè)OS線程來(lái)同時(shí)執(zhí)行Go代碼。默認(rèn)值是機(jī)器上的CPU核心數(shù)。例如在一個(gè)8核心的機(jī)器上，調(diào)度器會(huì)把Go代碼同時(shí)調(diào)度到8個(gè)OS線程上（GOMAXPROCS是m:n調(diào)度中的n）。

Go語(yǔ)言中可以通過(guò)runtime.GOMAXPROCS()函數(shù)設(shè)置當(dāng)前程序并發(fā)時(shí)占用的CPU邏輯核心數(shù)。

Go1.5版本之前，默認(rèn)使用的是單核心執(zhí)行。Go1.5版本之后，默認(rèn)使用全部的CPU邏輯核心數(shù)。

可以通過(guò)將任務(wù)分配到不同的CPU邏輯核心上實(shí)現(xiàn)并行的效果

func a() {
    for i := 1; i < 10; i++ {
        fmt.Println("A:", i)
    }
}

func b() {
    for i := 1; i < 10; i++ {
        fmt.Println("B:", i)
    }
}

func main() {
    runtime.GOMAXPROCS(1)
    go a()
    go b()
    time.Sleep(time.Second)
}

兩個(gè)任務(wù)只有一個(gè)邏輯核心，此時(shí)是做完一個(gè)任務(wù)再做另一個(gè)任務(wù)。 將邏輯核心數(shù)設(shè)為2，此時(shí)兩個(gè)任務(wù)并行執(zhí)行，代碼如下。

func a() {
    for i := 1; i < 10; i++ {
        fmt.Println("A:", i)
    }
}

func b() {
    for i := 1; i < 10; i++ {
        fmt.Println("B:", i)
    }
}

func main() {
    runtime.GOMAXPROCS(2)
    go a()
    go b()
    time.Sleep(time.Second)
}

二、底層設(shè)計(jì)：

Go語(yǔ)言的高效與簡(jiǎn)潔，離不開(kāi)其運(yùn)行時(shí)環(huán)境。runtime包作為Go語(yǔ)言運(yùn)行時(shí)系統(tǒng)的核心接口，承載著內(nèi)存管理、協(xié)程調(diào)度、垃圾回收、類型信息處理等關(guān)鍵功能。深入理解runtime包的底層設(shè)計(jì)，可以深入了解Go語(yǔ)言的運(yùn)行機(jī)制。

1、內(nèi)存管理與垃圾回收的底層協(xié)作

① 內(nèi)存分配策略

runtime包中的內(nèi)存分配器采用分層設(shè)計(jì)，分為線程緩存（Thread Cache）、中心緩存（Central Cache）和堆（Heap）三個(gè)層級(jí)：

• 線程緩存：每個(gè)Go線程擁有獨(dú)立的線程緩存，用于快速分配小對(duì)象（通常小于16字節(jié)），避免頻繁訪問(wèn)全局資源，減少鎖競(jìng)爭(zhēng)；

• 中心緩存：作為線程緩存的補(bǔ)充，負(fù)責(zé)從堆中獲取大塊內(nèi)存，并切割成適合線程緩存的小塊，平衡各線程間的內(nèi)存使用；

• 堆：內(nèi)存分配的最終來(lái)源，由垃圾回收器統(tǒng)一管理，當(dāng)線程緩存和中心緩存無(wú)法滿足需求時(shí)，直接從堆中分配內(nèi)存 。

② 垃圾回收協(xié)同工作

垃圾回收器（GC）與內(nèi)存分配器緊密配合，runtime包通過(guò)一系列函數(shù)控制GC的行為，如runtime.GC()可手動(dòng)觸發(fā)垃圾回收。在GC過(guò)程中：

• 標(biāo)記階段：從根對(duì)象（如全局變量、棧上變量）出發(fā)，標(biāo)記所有可達(dá)對(duì)象；

• 清除階段：回收未被標(biāo)記的對(duì)象，將其占用的內(nèi)存歸還到空閑列表；

• 整理階段（可選）：在特定情況下，對(duì)堆內(nèi)存進(jìn)行整理，減少內(nèi)存碎片 。

2、協(xié)程調(diào)度的底層實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)

runtime包是協(xié)程調(diào)度的核心執(zhí)行者，基于M:N調(diào)度模型實(shí)現(xiàn)高效的協(xié)程調(diào)度：

• Goroutine（G）：用戶態(tài)的輕量級(jí)線程，是Go語(yǔ)言并發(fā)的基本單元；

• Machine（M）：對(duì)應(yīng)操作系統(tǒng)線程，負(fù)責(zé)執(zhí)行Goroutine中的代碼；

• Processor（P）：協(xié)程調(diào)度的關(guān)鍵組件，維護(hù)本地協(xié)程隊(duì)列，綁定到M上以減少上下文切換開(kāi)銷。

調(diào)度過(guò)程中，runtime包通過(guò)以下機(jī)制確保協(xié)程高效運(yùn)行：

• 本地隊(duì)列優(yōu)先：P優(yōu)先從本地隊(duì)列獲取Goroutine執(zhí)行，減少競(jìng)爭(zhēng)；

• 工作竊取算法：當(dāng)本地隊(duì)列為空時(shí)，P從其他P的本地隊(duì)列竊取Goroutine，均衡負(fù)載；

• 阻塞處理：當(dāng)M執(zhí)行的Goroutine發(fā)生阻塞（如I/O操作），M與P分離，P綁定到其他空閑M繼續(xù)執(zhí)行其他Goroutine，避免線程浪費(fèi) 。

3、運(yùn)行時(shí)類型信息與反射支持

runtime包管理著程序中所有類型的元數(shù)據(jù)，這些信息是反射功能的基礎(chǔ)：

• 類型描述：通過(guò)結(jié)構(gòu)體記錄類型的大小、對(duì)齊方式、方法集合等信息，如rtype結(jié)構(gòu)體存儲(chǔ)類型的基本屬性，itab結(jié)構(gòu)體記錄接口類型與具體實(shí)現(xiàn)類型的映射關(guān)系；

• 反射實(shí)現(xiàn)：reflect包依賴runtime包提供的類型信息，在運(yùn)行時(shí)動(dòng)態(tài)獲取對(duì)象的類型、調(diào)用方法、修改屬性 。

例如，在進(jìn)行反射操作時(shí)，runtime包負(fù)責(zé)提供類型比較、方法查找等底層支持，確保反射操作的正確性和高效性。

4、runtime包與開(kāi)發(fā)者實(shí)踐

雖然runtime包的大部分功能在幕后自動(dòng)運(yùn)行，但開(kāi)發(fā)者在某些場(chǎng)景下仍需關(guān)注其行為：

• 性能調(diào)優(yōu)：通過(guò)runtime.GOMAXPROCS()設(shè)置處理器數(shù)量，優(yōu)化協(xié)程調(diào)度效率；利用runtime/pprof包進(jìn)行性能分析，定位內(nèi)存泄漏、CPU瓶頸等問(wèn)題；

• 特殊場(chǎng)景處理：在需要與操作系統(tǒng)深度交互時(shí)，使用runtime包提供的系統(tǒng)調(diào)用接口；在編寫高性能程序時(shí)，通過(guò)runtime包的內(nèi)存分配函數(shù)手動(dòng)管理內(nèi)存 。

總結(jié) 

到此這篇關(guān)于Go學(xué)習(xí)記錄之runtime包深入解析的文章就介紹到這了,更多相關(guān)Go runtime包內(nèi)容請(qǐng)搜索腳本之家以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關(guān)文章希望大家以后多多支持腳本之家！

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