面试题：Go中Goroutine启动原理与线程启动对比

Question

请阐述Go语言中Goroutine的启动过程，并与传统线程的启动过程进行对比，说明两者在资源消耗、启动速度方面的差异。

Answer 1

Goroutine启动过程

1. 创建G结构体：Go运行时系统为每个Goroutine创建一个G结构体，该结构体包含了Goroutine的栈空间、程序计数器（PC）、Goroutine状态等信息。栈空间在创建时一般有一个较小的初始大小，会随着需求动态增长和收缩。
2. 调度器管理：创建好的G结构体被放入调度器的全局或者局部队列中。Go语言的调度器采用M:N调度模型（多个Goroutine映射到多个操作系统线程），调度器的主要职责是管理G（Goroutine）、M（操作系统线程）和P（处理器，用于执行Goroutine的上下文）。
3. 执行：当一个M（操作系统线程）获取到一个P（处理器）时，它会从P关联的本地队列或者全局队列中取出一个G来执行。执行过程中，Goroutine会按照其代码逻辑运行，遇到I/O操作、系统调用或者主动调用runtime.Gosched()等情况时，会让出P，使得调度器可以安排其他Goroutine执行。

传统线程启动过程

1. 系统调用：在大多数操作系统中，通过系统调用（如pthread_create在POSIX系统中）来创建线程。这个系统调用会通知操作系统内核，内核为新线程分配内核资源，包括独立的栈空间、线程控制块（TCB，包含线程状态、寄存器值等信息）等。
2. 线程初始化：内核初始化线程的上下文，设置栈指针、程序计数器等。初始化完成后，线程进入可运行状态，被放入操作系统的线程调度队列中。
3. 调度执行：操作系统的调度器根据其调度算法（如时间片轮转、优先级调度等），从调度队列中选择线程并分配CPU时间片，线程开始执行其指定的函数。

资源消耗差异

• 栈空间：
  • Goroutine：初始栈空间通常较小（如2KB），且栈空间可动态增长和收缩，在不需要大量栈空间时，占用资源少。
  • 传统线程：栈空间一般在创建时就固定分配，通常较大（如几MB），即使实际使用的栈空间远小于分配的大小，也会占用该固定大小的内存，导致内存浪费。
• 内核资源：
  • Goroutine：运行在用户态，不需要内核为每个Goroutine分配专门的内核资源，多个Goroutine复用少量的操作系统线程（M），因此整体内核资源消耗少。
  • 传统线程：每个线程都需要内核分配独立的内核资源（如TCB等），随着线程数量的增加，内核资源消耗显著增加。

启动速度差异

• Goroutine：创建过程只是在用户态进行一些简单的内存分配和数据结构初始化（创建G结构体等），不涉及系统调用，所以启动速度非常快，可以在短时间内创建大量的Goroutine。
• 传统线程：创建需要通过系统调用进入内核态，内核进行资源分配和初始化等操作，系统调用开销较大，导致线程启动速度相对较慢，创建大量线程时性能开销明显。