Как устроен runtime в языке Go?

Runtime в Go — это система времени выполнения, которая управляет выполнением Go-программ. Она отвечает за:

• Планирование: Использует планировщик M:N, который связывает M легковесных горутин с N системными потоками ОС. Это позволяет эффективно использовать ядра процессора.
• Управление памятью: Реализует автоматический сборщик мусора (GC), который периодически высвобождает неиспользуемую память. GC в Go — Concurrent, Tri-color Mark-and-sweep, что позволяет ему работать одновременно с пользовательским кодом и сокращать паузы.
• Управление горутинами: Создание, выполнение, переключение контекста и завершение горутин. Горутины легче потоков ОС, их создание и переключение контекста менее затратно.
• Каналы (Channels): Реализует механизм синхронизации и обмена данными между горутинами. Каналы могут быть буферизованными или небуферизованными.
• Сетевые операции: Встроенные примитивы для работы с сетью, которые интегрированы с планировщиком.
• Системные вызовы: Абстрагирует взаимодействие с операционной системой.

Основные компоненты планировщика:

• M (Machine): Поток ОС.
• P (Processor): Логический процессор, представляющий контекст, в котором выполняются горутины (G). Каждый P имеет локальную очередь готовых к выполнению горутин (runqueue). Количество P по умолчанию равно runtime.NumCPU().
• G (Goroutine): Легковесный поток выполнения.

Когда горутина готова к выполнению, она помещается в локальную очередь P. Если локальная очередь P пуста, планировщик может "украсть" горутину из очереди другого P (work stealing). Если все P заняты и их локальные очереди пусты, планировщик может забрать горутину из глобальной очереди.

Операции ввода/вывода блокирующие для горутин, но не для потоков ОС. Когда горутина выполняет блокирующий системный вызов, она отключается от своего P, а планировщик подключает к этому P другую готовую горутину. Поток ОС (M) становится блокированным, пока системный вызов не завершится. После завершения системного вызова горутина снова становится доступной для планирования и может быть назначена на любой свободный P.

Пример создания горутины:

package main

import "fmt"

func main() {
	go func() { // Создание новой горутины
		fmt.Println("Привет из горутины!")
	}()
	fmt.Println("Привет из main!")
	// В реальном приложении требуется механизм синхронизации,
	// чтобы основная горутина не завершилась раньше фоновой.
}

Пример использования канала:

package main

import "fmt"

func main() {
	messages := make(chan string) // Создание небуферизованного канала

	go func() {
		messages <- "Привет из горутины!" // Отправка сообщения в канал
	}()

	msg := <-messages // Прием сообщения из канала
	fmt.Println(msg)
}