每天一个知识点：Goroutine 调度器过程及原理

Goroutine 的优点

• 使用简单
• 内存占用小（几 kb）
• 调度灵活（runtime 调度）

GMP 模型

gmp.jpeg

• G: Goroutine 协程。
• Processor: 处理器，它包含了运行goroutine的资源，如果线程想运行goroutine，必须先获取P，P中还包含了可运行的G队列。
• 全局队列（Global Queue）：存放等待运行的 G。
• 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。
• 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。
• M：线程想运行任务就得获取 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 执行之后，M 会从 P 获取下一个 G，不断重复下去。

在 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。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。

有关 P 和 M 的个数问题

• P: 由启动时环境变量 $GOMAXPROCS 或者是由 runtime的方法GOMAXPROCS()决定。这意味着在程序执行的任意时刻都只有$GOMAXPROCS个goroutine在同时运行。
• M:
  • Go 语言本身的限制：Go 程序启动时，会设置 M 的最大数量，默认 10000，但是内核很难支持这么多的线程数，所以这个限制可以忽略。
  • runtime/debug 中的 SetMaxThreads 函数，设置 M 的最大数量。
  • 一个 M 阻塞了，会创建新的 M。

M 与 P 的数量没有绝对关系，一个 M 阻塞，P 就会去创建或者切换另一个 M，所以，即使 P 的默认数量是 1，也有可能会创建很多个 M 出来。

P和M何时会被创建

• P: 在确定了 P 的最大数量 n 后，运行时系统会根据这个数量创建 n 个 P。
• M: 没有足够的 M 来关联 P 并运行其中的可运行的 G 时创建。比如所有的 M 此时都阻塞住了，而 P 中还有很多就绪任务，就会去寻找空闲的 M，而没有空闲的，就会去创建新的 M。

调度器的设计策略

• 复用线程: 避免频繁的创建、销毁线程，而是对线程的复用。
  • work stealing 机制: 当本线程无可运行的G时，尝试从其他线程绑定的P偷取G，而不是销毁线程。
  • hand off 机制: 当本线程因为G进行系统调用阻塞时，线程释放绑定的P，把P转移给其他空闲的线程执行。
• 利用并行: GOMAXPROCS设置P的数量，最多有GOMAXPROCS个线程分布在多个CPU上同时运行。GOMAXPROCS也限制了并发的程度，比如GOMAXPROCS = 核数/2，则最多利用了一半的CPU核进行并行。
• 抢占：在 Coroutine 中要等待一个协程主动让出 CPU 才执行下一个协程，在 Go 中，一个 Goroutine 最多占用 CPU 10ms，防止其他 Goroutine 被饿死，这就是 Goroutine 不同于Coroutine 的一个地方。
• 全局G队列：在新的调度器中依然有全局 G 队列，但功能已经被弱化了，当 M 执行 work stealing 从其他 P 偷不到 G 时，它可以从全局 G 队列获取 G。

go func() 调度流程

gofunc.jpeg

1. 我们通过 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 或则其余阻塞操作，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。

调度器的生命周期

processor.png

• 特殊的 M0 和 G0
  • 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是每次启动一个 M 都会第一个创建的 goroutine，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。

Example

package main

import "fmt"

func main() {
    fmt.Println("Hello world")
}

1. runtime 创建最初的线程 m0 和 goroutine g0，并把 2 者关联。
2. 调度器初始化：初始化m0、栈、垃圾回收，以及创建和初始化由 GOMAXPROCS 个 P 构成的 P列表。
3. 示例代码中的main函数是main.main，runtime中也有 1 个 main 函数——runtime.main，代码经过编译后，runtime.main会调用main.main，程序启动时会为runtime.main创建goroutine，称它为main goroutine吧，然后把main goroutine加入到P的本地队列。
4. 启动 m0，m0 已经绑定了 P，会从 P 的本地队列获取 G，获取到 main goroutine。
5. G 拥有栈，M 根据 G 中的栈信息和调度信息设置运行环境。
6. M 运行 G。
7. G 退出，再次回到 M 获取可运行的 G，这样重复下去，直到main.main退出，runtime.main执行 Defer 和 Panic 处理，或调用runtime.exit退出程序。

调度器的生命周期几乎占满了一个 Go 程序的一生，runtime.main的 goroutine 执行之前都是为调度器做准备工作，runtime.main的 goroutine 运行，才是调度器的真正开始，直到runtime.main结束而结束。

参考

Golang调度器GMP原理与调度全分析