本文深入探讨 Go 语言的协程调度机制，重点解析协程上下文切换发生的时机。当前 Go 版本采用协作式调度，上下文切换主要发生在 I/O 操作期间，而非 CPU 密集型计算。文章将详细解释这一机制，并展望未来 Go 版本中可能引入的抢占式调度。
Go 协程调度机制
Go 语言的协程（goroutine）是轻量级的并发执行单元，由 Go 运行时环境进行调度。理解协程的调度机制对于编写高效的并发程序至关重要。
上下文切换的时机
在 Go 中，上下文切换指的是从一个协程的执行状态切换到另一个协程的执行状态。 当前 Go 版本 (go 1.21) 采用的是协作式调度模型，这意味着协程只有在特定的情况下才会主动让出 CPU 的控制权，从而触发上下文切换。
具体来说，上下文切换主要发生在以下几种情况：
- I/O 操作： 当一个协程执行 I/O 操作（例如，网络请求、文件读写、内存访问）时，它会被阻塞，此时调度器会将 CPU 资源分配给其他可运行的协程。需要注意的是，这里所说的内存访问，指的是不在寄存器中的内存访问，即需要通过 I/O 操作读取内存数据。
- 通道（Channel）操作： 当一个协程尝试从一个空的通道接收数据，或者向一个满的通道发送数据时，它会被阻塞，从而触发上下文切换。
- time.Sleep()： 显式调用 time.Sleep() 会使当前协程暂停执行指定的时间，从而让出 CPU 资源。
- runtime.Gosched()： 调用 runtime.Gosched() 会主动让当前协程让出 CPU 资源，允许其他协程运行。
- 系统调用： 当协程执行系统调用时，也会发生上下文切换，因为系统调用通常是阻塞的。
示例代码：
package main
import (
"fmt"
"time"
)
func worker(id int) {
fmt.Printf("Worker %d starting\n", id)
time.Sleep(time.Second) // 模拟 I/O 操作，触发上下文切换
fmt.Printf("Worker %d done\n", id)
}
func main() {
for i := 1; i <= 3; i++ {
go worker(i)
}
// 确保所有 worker 完成
time.Sleep(time.Second * 2)
fmt.Println("All workers done")
}在这个例子中，time.Sleep(time.Second) 模拟了一个 I/O 操作，导致协程暂停执行，从而触发上下文切换，让其他协程有机会运行。
协作式调度的局限性
协作式调度的主要缺点是，如果某个协程长时间占用 CPU 资源而不进行 I/O 操作或主动让出 CPU，那么其他协程将无法得到执行，导致程序出现“饥饿”现象。
未来展望：抢占式调度
为了解决协作式调度的局限性，Go 语言正在逐步引入抢占式调度。抢占式调度允许调度器在协程执行过程中强制中断它，并将 CPU 资源分配给其他协程。 这可以有效地防止某个协程长时间占用 CPU 资源，从而提高程序的并发性能和响应能力。
虽然早期版本中已经引入了一些抢占式调度的机制，比如基于信号的抢占，但仍然存在一些局限性。 未来的 Go 版本有望进一步完善抢占式调度机制，使其更加稳定和高效。
总结
Go 语言的协程调度机制是其并发编程模型的核心。理解上下文切换的时机对于编写高效、稳定的并发程序至关重要。 虽然当前 Go 版本采用的是协作式调度，但未来有望引入更加完善的抢占式调度，从而进一步提高程序的并发性能。在编写 Go 并发程序时，需要注意避免长时间占用 CPU 资源的操作，尽量利用 I/O 操作或通道操作来触发上下文切换，从而保证所有协程都能得到公平的执行机会。
