【golang】深入理解GMP调度模型

Goroutine

Go中，协程被称为goroutine，它非常轻量，一个goroutine只占几KB，并且这几KB就足够goroutine运行完，这就能在有限的内存空间内支持大量goroutine，支持了更多的并发，虽然一个goroutine的栈只占几KB（Go语言官方说明为4～5KB），但实际是可伸缩的，如果需要更多内容，runtime会自动为goroutine分配。

Goroutine特点：

• 占用内存更小（几kb）
• 调度更灵活（runtime调度）

GMP指的是什么

G（Goroutine）：我们在Go语言中所说的协程，为用户级的轻量级线程，每个Goroutine对象中的sched保存着其上下文信息。
M（Machine）：对内核级线程的封装，数量对应真实的CPU数（真正干活的对象，默认数量为10000）。
P（Processor）：即为G和M的调度对象，用来调度G和M之间的关联关系，其数量可通过，GOMAXPROCS（）来设置，默认为核心数。

版本1.0之前GM调度模型

调度器把G都分配M上，不同的G在不同的M并发运行时，都需要向系统申请资源，比如堆栈内存等，因为资源是全局的，就会因为资源竞争造成很多性能损耗。为了解决这样的问题go从1.1版本引入，在运行时系统的时候加入p对象，让P去管理这个G对象，M想要运行G，必须绑定P，才能运行P所管理的G。

GM调度存在的问题：

1. 单一全局互斥锁（SchedLock）和集中状态存储
2. Goroutine传递问题（M经常在M之间传递“可运行”的goroutine）
3. 每个M作内存缓存，导致内存占用过高，数据局部性较差
4. 频繁syscall调用，导致严重的线程阻塞/解锁，加剧的性能损耗。

GMP模型

Go中，线程是运行goroutine的实体，调度器的功能是把可运行的goroutine分配到工作线程上。

1. 全局队列：存放等待运行的G。
2. P的本地队列：同全局队列类似，存放的也是等待运行的G，存的数量有限，不超过256个。新建G‘时，G’优先加入到P的本地队列，如果队列满了，则会把本地队列中一半的G移动到全局队列。
3. P列表：所有的P都在程序启动时创建，并保存在数组中，最多有GOMAXPROCS(可配置)个。
4. M：线程想运行任务就得获得P，从P的本地队列获取G，P队列为空时，M也会尝试从全局队列拿一批G放到P的本地队列，或从其他P的本地队列偷一半放到自己P的本地队列。M运行G，G执行后，M会从P获取下一个G，不断重复下去。

Goroutine调度器和OS调度器是通过M结合起来的，每个M都代表了1个内核线程，OS调度器负责把内核线程分配到CPU的核上执行。

go func()调度流程

流程：

1. 通过go func() 来创建一个goroutine；
2. 有两个存储G的队列，一个是局部调度器P的本地队列、一个是全局G队列。新创建的G会先保存在P的本地队列中，如果P的本地队列已经满了就会保存在全局的队列中；
3. G只能运行在M中，一个M必须持有一个P，M与P是1：1的关系。M会从P的本地队列弹出一个可执行状态的G来执行，如果P的本地队列为空，就会想其他的MP组合偷取一个可执行的G来执行。
4. 一个M调度G执行的过程是一个循环机制；
5. 当M执行某一个G时候如果发生了syscall或者其余阻塞操作，M会阻塞，如果当前有一些G在执行，runtime会把这个线程M从P中摘除（detach），然后再创建一个新的操作系统的线程（如果有空闲的线程可用就复用空闲线程）来服务于这个P；
6. 当M系统调用结束时候，这个G会尝试获取一个空闲的P执行，并放入到这个P的本地队列，如果获取不到P，那么这个线程M变成休眠状态，加入到空闲线程中，然后这个G会被放入全局队列中。

M0
M0是启动程序后的编号为0的主线程，这个M对应的实例会在全局变量runtime.m0中，不需要在heap上分配，M0负责执行初始化操作和启动第一个G，在之后M0就和其他的M一样了。
G0
G0是每次启动一个M都会第一个创建的gourtine，G0仅用于负责调度的G，G0不指向任何可执行的函数，每个M都会有一个自己的G0。在调度或系统调用时会使用G0的栈空间，全局变量的G0是M0的G0；

work stealing机制和hand off机制

• work stealing机制：获取 P 本地队列，当从绑定 P 本地 runq 上找不到可执行的 g，尝试从全局链表中拿，再拿不到从 netpoll 和事件池里拿，最后会从别的 P 里偷任务。
• hand off机制：当本线程M因为G进行的系统调用阻塞时，线程释放绑定的P，把P转移给其他空闲的M执行。

版本1.2 ~ 1.13 基于协作的抢占式调度

版本1.2~1.13,程序只能依靠Goroutine主动让出CPU资源才能触发调度。

问题：

• 某些Goroutine可以长时间占用线程，造成其它Goroutine的饥饿
• 垃圾回收需要暂停整个程序（Stop-the-world，STW），最长可能需要几分钟的时间，导致整个程序无法工作。

版本1.14~至今 基于信号的抢占式调度

在任何情况下，Go 运行时并行执行（注意，不是并发）的 goroutines 数量是小于等于 P 的数量的。为了提高系统的性能，P 的数量肯定不是越小越好，所以官方默认值就是 CPU 的核心数，设置的过小的话，如果一个持有 P 的 M， 由于 P 当前执行的 G 调用了 syscall 而导致 M 被阻塞，那么此时关键点： GO 的调度器是迟钝的，它很可能什么都没做，直到 M 阻塞了相当长时间以后，才会发现有一个 P/M 被 syscall 阻塞了。然后，才会用空闲的 M 来强这个P。通过 sysmon 监控实现的抢占式调度，最快在 20us，最慢在10-20ms才会发现有一个 M 持有 P 并阻塞了。操作系统在 1ms 内可以完成很多次线程调度（一般情况1ms 可以完成几十次线程调度），Go 发起 IO/syscall 的时候执行该 G 的 M会阻塞然后被 OS 调度走，P 什么也不干，sysmon 最慢要10-20ms才能发现这个阻塞，说不定那时候阻塞已经结束了，这样宝贵的 P 资源就这么被阻塞的M 浪费了。

Sysmon 有什么作用？

Sysmon 也叫监控线程，会变动的周期性检查

好处：

• 释放闲置超过 5 分钟的 span 物理内存；
• 如果超过 2 分钟没有垃圾回收，强制执行；
• 将长时间未处理的 netpoll 添加到全局队列；
• 向长时间运行的 G 任务发出抢占调度（超过10ms的g，会进行retake）；
• 收回因 syscall 长时间阻塞的 P；

GMP调度过程中存在哪些阻塞

• I/O,select
• block on syscall（系统调用（syscall）过程中发生了阻塞）
• channel
• 等待锁
• runtime.Gosched()（手动让当前 Goroutine 主动让出执行权）