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1-4.Go协程调度原理及GPM模型

Fred 收录于 go高级
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1 一. 提高cpu利用率

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  • 最早的并发能力：多进程并发，当一个进程阻塞的时候，切换到另外等待执行的进程，这样就能尽量把CPU利用起来，CPU就不浪费了。

  • 多进程、多线程已经提高了系统的并发能力，但是在当今互联网高并发场景下，为每个任务都创建一个线程是不现实的，因为会消耗大量的内存(进程虚拟内存会占用4GB[32位操作系统], 而线程也要大约4MB)。

  • 大量的进程/线程出现了新的问题

    • 高内存占用
    • 调度的高消耗CPU

1.1 1. 协程 和 m:n模型

  • 大量的进程/线程出现了新的问题

    • 高内存占用
    • 调度的高消耗CPU

  • 其实一个线程分为“内核态“线程和”用户态“线程。

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  • m:n 线程模型

    • M个用户态线程倚在N个核心线程身上， N个核心线程可能阻塞。每个核心态线程对应一个或多个用户态线程，至少包含一个调度线程。

    • M，一般只受资源或系统值限制。而对于N，一般受CPU数限制，如果核心线程阻塞

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  • 协程跟线程是有区别的，线程由CPU调度是抢占式的，协程由用户态调度是协作式的，一个协程让出CPU后，才执行下一个协程。

2 二. Goroutine调度器的GMP模型

2.1 1. Goroutine特点

  • OS线程（操作系统线程）一般都有固定的栈内存（通常为2MB）,一个goroutine的栈在其生命周期开始时只有很小的栈（典型情况下2KB），goroutine的栈不是固定的，他可以按需增大和缩小，goroutine的栈大小限制可以达到1GB，虽然极少会用到这么大。所以在Go语言中一次创建十万左右的goroutine也是可以的。

  • Goroutine特点：

    • 占用内存更小（几kb）

    • 调度更灵活(runtime调度)

  • Go调度本质是把大量的goroutine分配到少量线程上去执行，并利用多核并行，实现更强大的并发。

2.2 2. GPM模型

G: goroutine 协程

P: process 处理器

M: 内核线程thread

  • 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。

    • 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。
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  • 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。

2.2.1 2.1 P 和 M 的个数

  • P的数量

    • 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的数量:

    • 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。

2.2.2 2.2 P 和 M 何时会被创建?

  1. P何时创建：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。

  2. M何时创建：没有足够的M来关联P并运行其中的可运行的G。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。

2.3 3. Goroutine调度器的设计策略

  1. 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。

  2. 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。

  3. 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。

  4. 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

2.4 4. Go func() 调度流程

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从上图我们可以分析出几个结论：

  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。

2.5 5. 调度器的生命周期

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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。

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package main

import "fmt"

func main() {
    fmt.Println("Hello world")
}
  • 针对上面的代码对调度器里面的结构做一个分析。也会经历如上图所示的过程：
  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。

2.6 6. goroutine 调度切换条件

  1. runtime.Sched() 主动让出cpu
  2. channel 读写阻塞
  3. 遇到互斥锁
  4. 网络IO
  5. 阻塞的系统调用

2.7 7. 抢占式调度器

doc: 抢占式调度器

  • 对 Go 语言并发模型的修改提升了调度器的性能，但是 1.1 版本中的调度器仍然不支持抢占式调度，程序只能依靠 Goroutine 主动让出 CPU 资源才能触发调度。Go 语言的调度器在 1.2 版本4中引入基于协作的抢占式调度解决下面的问题：
    • 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；
  • 1.2 版本的抢占式调度虽然能够缓解这个问题，但是它实现的抢占式调度是基于协作的，在之后很长的一段时间里 Go 语言的调度器都有一些无法被抢占的边缘情况，例如：for 循环或者垃圾回收长时间占用线程，这些问题中的一部分直到 1.14 才被基于信号的抢占式调度解决。

2.7.1 7.1 基于协作的抢占式调度

  1. 编译器会在调用函数前插入 runtime.morestack；

    1. Go 语言运行时会在垃圾回收暂停程序、系统监控发现 Goroutine 运行超过 10ms 时发出抢占请求 StackPreempt；

  2. 当发生函数调用时，可能会执行编译器插入的 runtime.morestack，它调用的 runtime.newstack 会检查 Goroutine 的 stackguard0 字段是否为 StackPreempt；

  3. 如果 stackguard0 是 StackPreempt，就会触发抢占让出当前线程；

因为这里的抢占是通过编译器插入函数实现的，还是需要函数调用作为入口才能触发抢占，所以这是一种协作式的抢占式调度。

  • 当运行到 time.Sleep 后，线程上的 goroutine 会从 main 切换到前面的匿名函数协程，而这个匿名函数协程并是在作for 死循环，并没有任何可以让出 cpu 运行权的操作，因为该程序在 go 1.14 之前的 go版本中，运行后会一直卡住，而不会打印 I got scheduled!

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    package main

import (
    "fmt"
    "runtime"
    "time"
)

func main() {
    runtime.GOMAXPROCS(1)

    fmt.Println("The program starts ...")

    go func() {
        for {
        }
    }()

    time.Sleep(time.Second)
    fmt.Println("I got scheduled!")
}

2.7.2 7.2 基于信号的抢占式调度

  1. 程序启动时，在 runtime.sighandler 中注册 _SIGURG 信号的处理函数 runtime.doSigPreempt;
  2. 此时有一个 M1 通过 signalM 函数向 M2 发送中断信号 _SIGURG；
  3. M2 收到信号，操作系统中断其执行代码，并切换到信号处理函数runtime.doSigPreempt；
  4. M2 调用 runtime.asyncPreempt 修改执行的上下文，重新进入调度循环进而调度其他 G；

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收录于 合集・go高级 42
更新于 2025-05-15 
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