goroutine はグリーンスレッドではない（『Go言語で学ぶ並行プログラミング』読書会1回目）
今日は「第1回『Go言語で学ぶ並行プログラミング』オンライン読書会」だった。
版元から PDF 版を購入した。 インプレス社って絶版でもないのにいつの間にか Kindle 版を引っ込めたりするそうで，デジタル版を買うなら PDF 版を買うのがオススメらしい。 まぁ，技術参考書は PDF 版のほうが取り回ししやすいからな。 紙はかさばるし。
事前にざっと斜め読みしたのだが，解説が丁寧という印象。 タイトル通り Go 言語を前提に書かれているが C/C++ や Java などの構文型のプログラミング言語に慣れているのなら難しくないと思う。
まずは1章から順に読むのがおすすめ。 「並行処理，完全に理解した」という人も復習のつもりで順に読んでいくのがいいだろう。
並行と並列
以前，読書感想文で『Go言語による並行処理』を大絶賛したのだが，その中の「2.1 並行性と並列性の違い」の中で
並行性はコードの性質を指し、並列性は動作しているプログラムの性質を指します。
と書かれている。 『Go言語で学ぶ並行プログラミング』では更に具体的に
並行性とは、多くのタスクを同時にどのように実行するかを計画する（planning）ことです。並列性とは、多くのタスクを同時に実行する（performing）ことです。
と書かれている。 たとえば
みたいな問題があったら
みたいに回答するのがいいだろうか（笑）
今回の読書会は第3章にかかった辺りまでだったが，今のところ『Go言語による並行処理』よりは『Go言語で学ぶ並行プログラミング』のほうがオススメな感じ。 まぁ，あとから出た本だからねぇ。
goroutine はグリーンスレッドではない
並行処理の仕組みとしてカーネルが用意している機能にはプロセスとスレッドがある。
オペレーティングシステムの各プロセスは、他のプロセスから隔離された独自のメモリ空間を持っています。通常、プロセスは独立して動作し、他のプロセスとの相互作用は最小限です。プロセスは、多くの資源を消費する代償として、隔離を提供します。たとえば、あるプロセスがエラーでクラッシュしても、そのプロセスは独自のメモリ空間を持っているため、他のプロセスに影響を与えることはありません。この隔離の欠点は、多くのメモリを消費してしまうことです。さらに、メモリ領域やその他のシステム資源を確保する必要があるため、プロセスの起動には（スレッドに比べて）少し時間がかかります。
新たなスレッドを作成する場合、オペレーティングシステムが作成する必要があるのは、スタック領域、レジスタ、プログラムカウンタを管理するのに十分な資源だけです。新たなスレッドは、同じプロセスのコンテキスト内で実行されます。対照的に、新たなプロセスを作成する場合、オペレーティングシステムはそれに完全に新たなメモリ空間を割り当てる必要があります。この理由から、スレッドはプロセスよりもはるかに軽量であり、システムが資源を使い果たすまでに、プロセスよりも多くのスレッドを作成することが通常可能です。さらに、新たに割り当てる資源がかなり少ないため、スレッドの起動はプロセスの起動よりもはるかに速いです。
[…]
ただし、この追加の性能には、ある代償が伴います。同じメモリ空間で作業するということは、プロセスが提供する隔離が得られないことを意味します。そのため、あるスレッドが他のスレッドの作業に干渉して被害を与える可能性があります。
各スレッドがどの CPU コアに割り当てられるかはカーネルが決定する。 このため上述のスレッドのことを特に「カーネルレベルスレッド」と呼ぶ。
カーネルレベルスレッドがあるということはユーザー空間で完全にアプリケーションが制御する「ユーザーレベルスレッド」もあるわけだ。
ユーザーレベルスレッドの主な利点は性能です。ユーザーレベルスレッドのコンテキストスイッチは、カーネルレベルスレッドのコンテキストスイッチよりも高速です。なぜなら、カーネルレベルのコンテキストスイッチでは、オペレーティングシステムが介入して次に実行するスレッドを選択する必要があるからです。カーネルを呼び出さずに実行を切り替えることができれば、実行中のプロセスは、キャッシュをフラッシュして処理速度を低下させる必要がなく、CPU を保持し続けられます。
ユーザーレベルスレッドを使うことの不都合な点は、ブロッキング I/O 呼び出しを行うコードを実行するときに現れます。ファイルからの読み込みが必要な状況を考えてみましょう。オペレーティングシステムはプロセスを 1 つの実行のスレッドと見なすため、ユーザーレベルスレッドがこのブロッキング読み込み呼び出しを実行すると、プロセス全体がスケジュールから外されます。同じプロセス内に他のユーザーレベルスレッドが存在する場合、読み込み操作が完了するまで、それらのスレッドは実行されません。
で， Go の goroutine はどれやねん？ という話だが，実はカーネルレベルスレッドとユーザーレベルスレッドを組み合わせたハイブリッドな構成となっている。
Go はハイブリッドシステムを採用することで、ユーザーレベルスレッドの優れた性能を提供し、不都合な点がほとんどありません。これは、カーネルレベルスレッドの集まりを使い、それぞれがゴルーチンのキューを管理することで実現しています。複数のカーネルレベルスレッドがあるので、複数のプロセッサが利用可能な場合、複数のプロセッサを利用できます。
これを「M:N スレッディングモデル」と呼ぶ。
Go がゴルーチンに使っているシステムは、M:N スレッディングモデル（threading model）と呼ばれることがあります。M:N とするのは M 個のユーザーレベルスレッド（ゴルーチン）がN 個のカーネルレベルスレッドにマッピングされている場合です。これは、通常のユーザーレベルスレッドとは対照的です。通常のユーザーレベルスレッドは、N:1 スレッディングモデルと呼ばれ、1 つのカーネルレベルスレッドに対して N 個のユーザーレベルスレッドという意味です。M:N モデルのランタイムを実装するには、カーネルレベルスレッドの集まり上でユーザーレベルスレッドを移動させてバランスを取るための多くの技法が必要なため、他のモデルよりも複雑になります。
一方で「グリーンスレッド」という言葉があるのだが，これは Java の用語らしい。
グリーンスレッド（green thread）という用語は、プログラミング言語 Java のバージョン 1.1で生まれました 。Java のオリジナルのグリーンスレッドは、ユーザーレベルスレッドの実装でした。単一のコア上でのみ実行され、JVM によって完全に管理されていました 。Javaバージョン 1.3 では、グリーンスレッドはカーネルレベルスレッドに取って代わられました。それ以来、多くの開発者がユーザーレベルスレッドの他の実装を指すために用語「グリーンスレッド」を使っています。後述するように、Go のランタイムはゴルーチンが複数の CPU を十分に活用できるようにしているので、 Go のゴルーチンをグリーンスレッドと呼ぶのはおそらく不正確です。
へー。 よその記事で goroutine をグリーンスレッドと書いてる気がするなぁ。 直すの面倒だし，過去記事は放置で，これから気をつけることにしよう。
ちなみに Java 21 からは Go に似たスレッドモデルが正式に導入されていて，これは「仮想スレッド（virtual thread）」と呼ぶそうな。
Go のメモリモデル
翻訳者で読書会の主催者である柴田芳樹さんが今回おっしゃっていたが（実は訳者あとがきでも言及されている），『Go言語で学ぶ並行プログラミング』にはメモリモデルについての解説がない。 並行処理とメモリ共有は密接な関係があるのでメモリモデルについても解説があればよかったのに，という感じ。
Go のメモリモデルについては公式のドキュメントがある。
このドキュメントの冒頭に
If you must read the rest of this document to understand the behavior of your program, you are being too clever.
とか皮肉（？）な文章が書かれていて笑っちまったよ。
それはともかく，中身をちょろんと紹介すると，たとえば
var a string
func f() {
print(a)
}
func hello() {
a = "hello, world"
go f()
}
というコードがあったとき “hello, world” と出力されることが保証されるというもの。
The go statement that starts a new goroutine is synchronized before the start of the goroutine’s execution.
「当たり前やんけ！」と思うかもしれないが hello() 関数と f() 関数が異なる CPU コアで並列に実行される場合，この「保証」はかなり重要である。
マルチコアプロセッサでは（システムバスを通じて）メモリに直接アクセスするのではなく，メモリキャッシュを挟んだ間接的なアクセスになる。 この際に複数の CPU コアとメモリとの間にデータ競合が起きないよう「キャッシュ・コヒーレンシー・プロトコル（cache-coherency protocols）」が走るらしい。
このプロトコルが正しく働いて CPU レベルでのデータ競合が起きないことが保証できないと，並行処理下で「何も信用できない」ことになってしまう。
キャッシュ・コヒーレンシー・プロトコル周りの話を始めるとそれだけで本が書けるそうで，実際に紹介してもらったが，かなりの分量があって理解するのも大変とのこと。 たぶん『Go言語による並行処理』にメモリモデルの解説を入れると分量が1.5倍とか2倍とかになるんじゃないのかな（笑）
というわけで
次回以降の読書会も楽しみである。 記事にするかどうかは不明。
ブックマーク
参考図書
- Go言語で学ぶ並行プログラミング 他言語にも適用できる原則とベストプラクティス impress top gearシリーズ
- James Cutajar (著), 柴田 芳樹 (著)
- インプレス 2024-12-04 (Release 2024-12-04)
- Kindle版
- B0DNYMMBBQ (ASIN)
- 評価
読書会のために購入。インプレス社の本は Kindle 版より版元で PDF 版を買うのがオススメ。「並行処理」について原理的な解説から丁寧に書かれている。 Go で解説されているが Go 以外の言語でも応用できる。
- Go言語 100Tips ありがちなミスを把握し、実装を最適化する impress top gearシリーズ
- Teiva Harsanyi (著), 柴田 芳樹 (著)
- インプレス 2023-08-18 (Release 2023-08-18)
- Kindle版
- B0CFL1DK8Q (ASIN)
- 評価
版元で PDF 版を購入可能。事実上の Effective Go とも言える充実の内容。オリジナルは敢えてタイトルに “tips” という単語を入れるのを避けたのに邦題が「100 Tips」とかなっていて，原作者がお怒りとの噂（あくまで噂）
- Go言語による並行処理
- Katherine Cox-Buday (著), 山口 能迪 (翻訳)
- オライリージャパン 2018-10-26
- 単行本（ソフトカバー）
- 4873118468 (ASIN), 9784873118468 (EAN), 4873118468 (ISBN)
- 評価
- プログラミング言語Go (ADDISON-WESLEY PROFESSIONAL COMPUTING SERIES)
- Alan A.A. Donovan (著), Brian W. Kernighan (著), 柴田 芳樹 (翻訳)
- 丸善出版 2016-06-20
- 単行本（ソフトカバー）
- 4621300253 (ASIN), 9784621300251 (EAN), 4621300253 (ISBN)
- 評価
著者のひとりは（あの「バイブル」とも呼ばれる）通称 “K&R” の K のほうである。この本は Go 言語の教科書と言ってもいいだろう。と思ったら絶版状態らしい（2025-01 現在）。復刊を望む！
