[go 语言]go goroutine调度机制 && goroutine池

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摘要

使用go语言写程序差不多有半年多了，也对go语言有了更深的理解，今天聊聊go goroutine的调度原理。

线程

进程：进程是并发执行程序在执行过程中资源分配和管理的基本单位（资源分配的最小单位）。进程可以理解为一个应用程序的执行过程，应用程序一旦执行，就是一个进程。每个进程都有自己独立的地址空间，每启动一个进程，系统就会为它分配地址空间，建立数据表来维护代码段、堆栈段和数据段。

线程：程序执行的最小单位。

并发编程的目的是为了让程序运行得更快，但是并不是启动更多的线程就能让程序最大限度地并发执行。在进行并发编程时，如果希望通过多线程执行任务让程序运行得更快，会面临非常多的挑战，比如上下文切换的问题、死锁的问题，以及受限于硬件和软件的资源限制问题。

上下文切换

即使是单核CPU也支持多线程执行代码，CPU通过给每个线程分配CPU时间片来实现这个机制。时间片是CPU分配给各个线程的时间，因为时间片非常短，所以CPU通过不停地切换线程执行，让我们感觉多个线程时同时执行的，时间片一般是几十毫秒（ms）。

CPU通过时间片分配算法来循环执行任务，当前任务执行一个时间片后会切换到下一个任务。但是，在切换前会保存上一个任务的状态，以便下次切换回这个任务时，可以再次加载这个任务的状态，从任务保存到再加载的过程就是一次上下文切换。

这就像我们同时读两本书，当我们在读一本英文的技术书籍时，发现某个单词不认识，于是便打开中英文词典，但是在放下英文书籍之前，大脑必须先记住这本书读到了多少页的第多少行，等查完单词之后，能够继续读这本书。这样的切换是会影响读书效率的，同样上下文切换也会影响多线程的执行速度。

在高并发应用中频繁创建线程会造成不必要的开销，所以有了线程池。

线程池

线程池中预先保存一定数量的线程，而新任务将不再以创建线程的方式去执行，而是将任务发布到任务队列，线程池中的线程不断的从任务队列中取 出任务并执行，可以有效的减少线程创建和销毁所带来的开销。

下图展示一个典型的线程池:

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G往往代表一个函数。线程池中的线程worker线程不断的从任务队列中取出任务并执行。而worker线程的调度则交给操作系统进行调度。

如果worker线程执行的G任务中发生系统调用，则操作系统会将该线程置为阻塞状态，也意味着该线程在怠工，也意味着消费任务队列的worker线程变少了，也就是说线程池消费任务队列的能力变弱了。

如果任务队列中的大部分任务都会进行系统调用，则会让这种状态恶化，大部分worker线程进入阻塞状态，从而任务队列中的任务产生堆积。

解决这个问题的一个思路就是重新审视线程池中线程的数量，增加线程池中线程数量可以一定程度上提高消费能力， 但随着线程数量增多，由于过多线程争抢CPU，消费能力会有上限，甚至出现消费能力下降。

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这个问题如何解呢？

Goroutine调度器

线程数过多，意味着操作系统会不断的切换线程，频繁的上下文切换就成了性能瓶颈。Go提供一种机制，可以在线程中自己实现调度，上下文切换更轻量，从而达到了线程数少，而并发数并不少的效果。而线程中调度的就是 Goroutine.
Goroutine 调度器的工作就是把“ready-to- run”的goroutine分发到线程中。
Goroutine主要概念如下:

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• G(Goroutine): 即Go协程，每个go关键字都会创建一个协程。
• M(Machine): 工作线程，在Go中称为Machine。
• P(Processor): 处理器(Go中定义的一个摡念，不是指CPU)，包含运行Go代码的必要资源，也有调度 goroutine的能力。

M必须拥有P才可以执行G中的代码，P含有一个包含多个G的队列，P可以调度G交由M执行。其关系如下图所示:

image.png

图中M是交给操作系统调度的线程，M持有一个P，P将G调度进M中执行。P同时还维护着一个包含G的队列(图中灰色部 分)，可以按照一定的策略将不能的G调度进M中执行。
P的个数在程序启动时决定，默认情况下等同于CPU的核数，由于M必须持有一个P才可以运行Go代码，所以同时运行的 M个数，也即线程数一般等同于CPU的个数，以达到尽可能的使用CPU而又不至于产生过多的线程切换开销。
程序中可以使用 runtime.GOMAXPROCS() 设置P的个数，在某些IO密集型的场景下可以在一定程度上提高性能。

Goroutine调度策略

队列轮转

上图中可见每个P维护着一个包含G的队列，不考虑G进入系统调用或IO操作的情况下，P周期性的将G调度到M中执行， 执行一小段时间，将上下文保存下来，然后将G放到队列尾部，然后从队列中重新取出一个G进行调度。

除了每个P维护的G队列以外，还有一个全局的队列，每个P会周期性的查看全局队列中是否有G待运行并将期调度到M中执行，全局队列中G的来源，主要有从系统调用中恢复的G。之所以P会周期性的查看全局队列，也是为了防止全局队列中的G被饿死。

队列轮转

上面说到P的个数默认等于CPU核数，每个M必须持有一个P才可以执行G，一般情况下M的个数会略大于P的个数，这多 出来的M将会在G产生系统调用时发挥作用。类似线程池，Go也提供一个M的池子，需要时从池子中获取，用完放回池 子，不够用时就再创建一个。

image.png

如图所示，当G0即将进入系统调用时，M0将释放P，进而某个空闲的M1获取P，继续执行P队列中剩下的G。而M0由于 陷入系统调用而进被阻塞，M1接替M0的工作，只要P不空闲，就可以保证充分利用CPU。

M1的来源有可能是M的缓存池，也可能是新建的。当G0系统调用结束后，跟据M0是否能获取到P，将会将G0做不同的处理:

1. 如果有空闲的P，则获取一个P，继续执行G0。
2. 如果没有空闲的P，则将G0放入全局队列，等待被其他的P调度。然后M0将进入缓存池睡眠

工作量窃取

多个P中维护的G队列有可能是不均衡的，比如下图:

image.png

竖线左侧中右边的P已经将G全部执行完，然后去查询全局队列，全局队列中也没有G，而另一个M中除了正在运行的G 外，队列中还有3个G待运行。此时，空闲的P会将其他P中的G偷取一部分过来，一般每次偷取一半。偷取完如右图所 示。

小结

一般来讲，程序运行时就将GOMAXPROCS大小设置为CPU核数，可让Go程序充分利用CPU。在某些IO密集型的应用 里，这个值可能并不意味着性能最好。理论上当某个Goroutine进入系统调用时，会有一个新的M被启用或创建，继续占满CPU。但由于Go调度器检测到M被阻塞是有一定延迟的，也即旧的M被阻塞和新的M得到运行之间是有一定间隔的，所以在IO密集型应用中不妨把GOMAXPROCS设置的大一些，或许会有好的效果。

Goroutine池

同理，在写 go 并发程序的时候如果程序会启动大量的 goroutine ，势必会消耗大量的系统资源（内存，CPU），同理如果引入池化技术，衍生出goroutine池，复用 goroutine ，则会节省资源，提升性能。

选择一个开源的Ants为例。

ants运行原理

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性能

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从该Ants demo 测试吞吐性能对比可以看出，使用ants的吞吐性能相较于原生 goroutine 可以保持在 2-6 倍的性能压制，而内存消耗则可以达到 10-20 倍的节省优势。

想要深入了解Ants，请移步项目地址：https://github.com/panjf2000/ants/blob/master/README_ZH.md

参考

The Go scheduler

多线程上下文切换

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