【Golang 面试 - 进阶题】每日 3 题（八）

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📚专栏简介：在这个专栏中，我将会分享 Golang 面试中常见的面试题给大家~

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22. Goroutine 定义

Goroutine 是 Go 语言中的一种轻量级线程实现，它可以在单个进程中同时执行多个任务，实现了并发编程。与传统的线程相比，Goroutine 的创建和切换开销非常小，因此可以轻松创建数以千计的 Goroutine，而不会导致系统资源的耗尽。

Goroutine 的定义非常简单，只需要在函数调用前添加关键字 go 即可创建一个 Goroutine。例如：

Go 复制代码

func main() {
    go sayHello()
}
func sayHello() {
    fmt.Println("Hello, world!")
}

在这个例子中，我们创建了一个 Goroutine 来执行 sayHello() 函数，使用关键字 go 来启动 Goroutine。当程序执行到 go sayHello() 时，会创建一个新的 Goroutine 来执行 sayHello() 函数，而主 Goroutine 则会继续执行下去，不会等待 sayHello() 函数执行完毕。

需要注意的是，Goroutine 是由 Go 运行时环境调度的，它们并不是线程或进程。每个 Goroutine 都是由 Go 运行时环境自动分配的，它们共享相同的地址空间和堆栈。因此，在 Goroutine 中共享内存需要采用同步机制来保证线程安全。

Goroutine 是 Go 语言的核心特性之一，它使得并发编程变得简单而高效。通过合理使用 Goroutine，可以充分发挥多核 CPU 的性能，提高程序的并发处理能力。

23. Go goroutine 的底层实现原理？

概念

Goroutine 可以理解为一种 Go 语言的协程（轻量级线程），是 Go 支持高并发的基础，属于用户态的线程，由 Go runtime 管理而不是操作系统。

底层数据结构

Go 复制代码

type g struct {
    goid    int64 // 唯一的goroutine的ID
    sched gobuf // goroutine切换时，用于保存g的上下文
    stack stack // 栈
  gopc        // pc of go statement that created this goroutine
    startpc    uintptr // pc of goroutine function
    ...
}
type gobuf struct {
    sp   uintptr // 栈指针位置
    pc   uintptr // 运行到的程序位置
    g    guintptr // 指向 goroutine
    ret  uintptr  // 保存系统调用的返回值
    ...
}
type stack struct {
    lo uintptr // 栈的下界内存地址
    hi uintptr // 栈的上界内存地址
}

最终有一个 runtime.g 对象放入调度队列。

状态流转

|------------------|-----------------------------------------------------|
| 状态 | 含义 |
| 空闲中 _Gidle | G 刚刚新建, 仍未初始化 |
| 待运行 _Grunnable | 就绪状态，G 在运行队列中，等待 M 取出并运行 |
| 运行中 _Grunning | M 正在运行这个 G，这时候 M 会拥有一个 P |
| 系统调用中 _Gsyscall | M 正在运行这个 G 发起的系统调用，这时候 M 并不拥有 P |
| 等待中 _Gwaiting | G 在等待某些条件完成，这时候 G 不在运行也不在运行队列中 (可能在 channel 的等待队列中) |
| 已中止 _Gdead | G 未被使用，可能已执行完毕 |
| 栈复制中 _Gcopystack | G 正在获取一个新的栈空间并把原来的内容复制过去 (用于防止 GC 扫描) |

创建

通过 go 关键字调用底层函数 runtime.newproc() 创建一个 goroutine。

当调用该函数之后，goroutine 会被设置成 runnable 状态。

Go 复制代码

func main() {
   go func() {
    fmt.Println("func routine")
   }()
   fmt.Println("main goroutine")
}

创建好的这个 goroutine 会新建一个自己的栈空间，同时在 G 的 sched 中维护栈地址与程序计数器这些信息。

每个 G 在被创建之后，都会被优先放入到本地队列中，如果本地队列已经满了，就会被放入到全局队列中。

运行

goroutine 本身只是一个数据结构，真正让 goroutine 运行起来的是调度器。Go 实现了一个用户态的调度器（GMP 模型），这个调度器充分利用现代计算机的多核特性，同时让多个 goroutine 运行，同时 goroutine 设计的很轻量级，调度和上下文切换的代价都比较小。

调度时机：

新起一个协程和协程执行完毕
会阻塞的系统调用，比如文件 io、网络 io
channel、mutex 等阻塞操作
time.sleep
垃圾回收之后
主动调用 runtime.Gosched()
运行过久或系统调用过久等等

每个 M 开始执行 P 的本地队列中的 G 时，goroutine 会被设置成 running 状态

如果某个 M 把本地队列中的 G 都执行完成之后，然后就会去全局队列中拿 G，这里需要注意，每次去全局队列拿 G 的时候，都需要上锁，避免同样的任务被多次拿。

如果全局队列都被拿完了，而当前 M 也没有更多的 G 可以执行的时候，它就会去其他 P 的本地队列中拿任务，这个机制被称之为 work stealing 机制，每次会拿走一半的任务，向下取整，比如另一个 P 中有 3 个任务，那一半就是一个任务。

当全局队列为空，M 也没办法从其他的 P 中拿任务的时候，就会让自身进入自旋状态，等待有新的 G 进来。最多只会有 GOMAXPROCS 个 M 在自旋状态，过多 M 的自旋会浪费 CPU 资源。

阻塞

channel 的读写操作、等待锁、等待网络数据、系统调用等都有可能发生阻塞，会调用底层函数 runtime.gopark()，会让出 CPU 时间片，让调度器安排其它等待的任务运行，并在下次某个时候从该位置恢复执行。

当调用该函数之后，goroutine 会被设置成 waiting 状态。

唤醒

处于 waiting 状态的 goroutine，在调用 runtime.goready() 函数之后会被唤醒，唤醒的 goroutine 会被重新放到 M 对应的上下文 P 对应的 runqueue 中，等待被调度。

当调用该函数之后，goroutine 会被设置成 runnable 状态。

退出

当 goroutine 执行完成后，会调用底层函数 runtime.Goexit()。

当调用该函数之后，goroutine 会被设置成 dead 状态。

24. Go goroutine 泄露的场景?

泄露原因

Goroutine 内进行 channel/mutex 等读写操作被一直阻塞。
Goroutine 内的业务逻辑进入死循环，资源一直无法释放。
Goroutine 内的业务逻辑进入长时间等待，有不断新增的 Goroutine 进入等待

泄露场景

如果输出的 goroutines 数量是在不断增加的，就说明存在泄漏。

1. nil channel

channel 如果忘记初始化，那么无论你是读，还是写操作，都会造成阻塞。

Go 复制代码

func main() {
    fmt.Println("before goroutines: ", runtime.NumGoroutine())
    block1()
    time.Sleep(time.Second * 1)
    fmt.Println("after goroutines: ", runtime.NumGoroutine())
}
func block1() {
    var ch chan int
    for i := 0; i < 10; i++ {
        go func() {
            <-ch
        }()
    }
}

输出结果：

Go 复制代码

before goroutines:  1
after goroutines:  11

2. 发送不接收

channel 发送数量超过 channel 接收数量，就会造成阻塞。

Go 复制代码

func block2() {
    ch := make(chan int)
    for i := 0; i < 10; i++ {
        go func() {
            ch <- 1
        }()
    }
}

3. 接收不发送

channel 接收数量超过 channel 发送数量，也会造成阻塞。

Go 复制代码

func block3() {
    ch := make(chan int)
    for i := 0; i < 10; i++ {
        go func() {
            <-ch
        }()
    }
}

4. http request body 未关闭

resp.Body.Close() 未被调用时，goroutine 不会退出。

Go 复制代码

func requestWithNoClose() {
    _, err := http.Get("https://www.baidu.com")
    if err != nil {
        fmt.Println("error occurred while fetching page, error: %s", err.Error())
    }
}
func requestWithClose() {
    resp, err := http.Get("https://www.baidu.com")
    if err != nil {
        fmt.Println("error occurred while fetching page, error: %s", err.Error())
        return
    }
    defer resp.Body.Close()
}
func block4() {
    for i := 0; i < 10; i++ {
        wg.Add(1)
        go func() {
                defer wg.Done()
                requestWithNoClose()
        }()
    }
}
var wg = sync.WaitGroup{}
func main() {
    block4()
    wg.Wait()
}

一般发起 http 请求时，需要确保关闭 body。

Go 复制代码

defer resp.Body.Close()

5. 互斥锁忘记解锁

第一个协程获取 sync.Mutex 加锁了，但是他可能在处理业务逻辑，又或是忘记 Unlock 了。

因此导致后面的协程想加锁，却因锁未释放被阻塞了。

Go 复制代码

func block5() {
    var mutex sync.Mutex
    for i := 0; i < 10; i++ {
        go func() {
            mutex.Lock()
        }()
    }
}

6. sync.WaitGroup 使用不当

由于 wg.Add 的数量与 wg.Done 数量并不匹配，因此在调用 wg.Wait 方法后一直阻塞等待。

Go 复制代码

func block6() {
    var wg sync.WaitGroup
    for i := 0; i < 10; i++ {
        go func() {
            wg.Add(2)
            wg.Done()
            wg.Wait()
        }()
    }
}

如何排查

单个函数：调用 runtime.NumGoroutine 方法来打印执行代码前后 Goroutine 的运行数量，进行前后比较，就能知道有没有泄露了。

生产/测试环境：使用 PProf 实时监测 Goroutine 的数量。