Go语言goroutine调度器概述(11)

本文是《go调度器源代码情景分析》系列的第11篇，也是第二章的第1小节。

goroutine简介

goroutine是Go语言实现的用户态线程，主要用来解决操作系统线程太“重”的问题，所谓的太重，主要表现在以下两个方面：

• 创建和切换太重：操作系统线程的创建和切换都需要进入内核，而进入内核所消耗的性能代价比较高，开销较大；
• 内存使用太重：一方面，为了尽量避免极端情况下操作系统线程栈的溢出，内核在创建操作系统线程时默认会为其分配一个较大的栈内存（虚拟地址空间，内核并不会一开始就分配这么多的物理内存），然而在绝大多数情况下，系统线程远远用不了这么多内存，这导致了浪费；另一方面，栈内存空间一旦创建和初始化完成之后其大小就不能再有变化，这决定了在某些特殊场景下系统线程栈还是有溢出的风险。

而相对的，用户态的goroutine则轻量得多：

• goroutine是用户态线程，其创建和切换都在用户代码中完成而无需进入操作系统内核，所以其开销要远远小于系统线程的创建和切换；
• goroutine启动时默认栈大小只有2k，这在多数情况下已经够用了，即使不够用，goroutine的栈也会自动扩大，同时，如果栈太大了过于浪费它还能自动收缩，这样既没有栈溢出的风险，也不会造成栈内存空间的大量浪费。

正是因为Go语言中实现了如此轻量级的线程，才使得我们在Go程序中，可以轻易的创建成千上万甚至上百万的goroutine出来并发的执行任务而不用太担心性能和内存等问题。

注意：为了避免混淆，从现在开始，后面出现的所有的线程一词均是指操作系统线程，而goroutine我们不再称之为什么什么线程而是直接使用goroutine这个词。

线程模型与调度器

第一章讨论操作系统线程调度的时候我们曾经提到过，goroutine建立在操作系统线程基础之上，它与操作系统线程之间实现了一个多对多(M:N)的两级线程模型。

这里的 M:N 是指M个goroutine运行在N个操作系统线程之上，内核负责对这N个操作系统线程进行调度，而这N个系统线程又负责对这M个goroutine进行调度和运行。

所谓的对goroutine的调度，是指程序代码按照一定的算法在适当的时候挑选出合适的goroutine并放到CPU上去运行的过程，这些负责对goroutine进行调度的程序代码我们称之为goroutine调度器。用极度简化了的伪代码来描述goroutine调度器的工作流程大概是下面这个样子：

// 程序启动时的初始化代码
......
for i = 0; i < N; i++{ // 创建N个操作系统线程执行schedule函数
    create_os_thread(schedule) // 创建一个操作系统线程执行schedule函数
}

//schedule函数实现调度逻辑
func schedule() {
   for { //调度循环
         // 根据某种算法从M个goroutine中找出一个需要运行的goroutine
         g = find_a_runnable_goroutine_from_M_goroutines()
         run_g(g) // CPU运行该goroutine，直到需要调度其它goroutine才返回
         save_status_of_g(g) // 保存goroutine的状态，主要是寄存器的值
    }
}

这段伪代码表达的意思是，程序运行起来之后创建了N个由内核调度的操作系统线程（为了方便描述，我们称这些系统线程为工作线程）去执行shedule函数，而schedule函数在一个调度循环中反复从M个goroutine中挑选出一个需要运行的goroutine并跳转到该goroutine去运行，直到需要调度其它goroutine时才返回到schedule函数中通过save_status_of_g保存刚刚正在运行的goroutine的状态然后再次去寻找下一个goroutine。

需要强调的是，这段伪代码对goroutine的调度代码做了高度的抽象、修改和简化处理，放在这里只是为了帮助我们从宏观上了解goroutine的两级调度模型，具体的实现原理和细节将从本章开始进行全面介绍。

调度器数据结构概述

第一章我们讨论操作系统线程及其调度时还说过，可以把内核对系统线程的调度简单的归纳为：在执行操作系统代码时，内核调度器按照一定的算法挑选出一个线程并把该线程保存在内存之中的寄存器的值放入CPU对应的寄存器从而恢复该线程的运行。

万变不离其宗，系统线程对goroutine的调度与内核对系统线程的调度原理是一样的，实质都是通过保存和修改CPU寄存器的值来达到切换线程/goroutine的目的。

因此，为了实现对goroutine的调度，需要引入一个数据结构来保存CPU寄存器的值以及goroutine的其