发布日期: 2021-11-18

作者: 朱林刚

文章字数: 4.6k

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Go调度模型

GO CSP模型

常见的线程模型

线程之间的调度永远是一个复杂的话题，但是并发编程必然会涉及到操作系统对线程的调度。根据资源访问权限的不同，操作系统会把内存分为内核空间和用户空间，内核空间的指令代码具备直接调度计算机底层资源的能力，比如说I/O资源等；用户空间的代码没有访问计算底层资源的能力，需要通过系统调用等方式切换为内核态来实现对计算机底层资源的申请和调度。
线程作为操作系统能够调度的最小单位，也分为用户线程和内核线程。
（1）用户线程由用户空间的代码创建、管理和销毁，线程的调度由用户空间的线程库完成（可能是编程语言层次的线程库），无需切换内核态，资源消耗少且高效。同一进程下创建的用户线程对CPU的竞争是以进程的维度参与的，这会导致该进程下的用户线程只能分时复用进程被分配的CPU时间片，所以无法很好利用CPU多核运算的优势。我们一般情况下说的线程其实是指用户线程。
（2）内核线程由操作系统管理和调度，能够直接操作计算机底层的资源，线程切换的时候CPU需要切换到内核态。它能够很好利用多核CPU并行计算的优势，开发人员可以通过系统调用的方式使用内核线程。
用户线程是无法被操作系统感知的，用户线程所属的进程或者内核线程才能被操作系统直接调度，分配CPU的使用时间，下面是不同的线程模型。

用户级线程 1:N关系

N个协程绑定1个线程，优点就是协程在用户态线程即完成切换，不会陷入到内核态，这种切换非常的轻量快速。但也有很大的缺点，1个进程的所有协程都绑定在1个线程上

缺点：
- 某个程序用不了硬件的多核加速能力，只能通过分时复用的方式来轮换
- 一旦某协程阻塞，造成线程阻塞，本进程的其他协程都无法执行了，根本就没有并发的能力了。比如线程A请求I/O操作被阻塞，很可能导致整个进程范围内的阻塞，因为此时进程对应的内核线程因为线程A的I/O阻塞而被剥夺CPU执行时间，导致整个进程失去了在CPU执行代码的权利！

内核级线程模型 1:1关系

1个协程绑定1个线程，这种最容易实现。协程的调度都由CPU完成了

进程内每创建一个新的线程都会调用操作系统的线程库在内核创建一个新的内核线程与之对应，线程的管理和调度由操作系统负责，这将导致每次线程切换上下文时都会从用户态切换到内核态，产生有不小的资源消耗，同时创建线程的数量也会受限于操作系统内核可创建内核线程的数量。

优点是多线程能够充分利用CPU的多核并行计算能力，因为每个线程可以独立被操作系统调度分配到CPU上执行指令，同时某个线程的阻塞并不会影响到进程内其他线程工作的执行。

两级线程模型 M:N关系

进程会预先申请一定数量的内核线程，然后将自身创建的线程与内核进程进行对应。线程的调用和管理由进程内的调度器负责，而内核线程的调度和管理由操作系统负责。这种线程模型既能够有效降低线程创建和管理的资源消耗，也能够很好地提供线程并行计算的能力。两级线程模型也给开发人员带来较大的技术挑战，因为开发人员需要在程序代码中模拟线程调度的细节，包括但不限于：线程切换时上下文信息的保存和恢复，栈空间大小的管理等。

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。

Go GMP

GMP模型

Go语言的MPG模型属于一种特殊的两级线程模型，它将CPU、内核线程、线程的关系描述为M、P、G三者的关系

G为goroutine协程

P为Processor 一个Prcessor表示执行Go代码片段的所必需的上下文环境，可以理解为用户代码逻辑的处理器

M为Machine 一个Machine对应一个内核线程，相当于内核线程在Go语言进程中的映射

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。在单个Go语言进程中，P的最大数量决定了程序的并发规模，且P的最大数量是由程序决定的。可以通过修改环境变量GOMAXPROCS和调用函数runtime.GOMAXPROCS来设定P的最大值。
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。

M和P会适时的组合和断开，以保证待执行G队列能够得到及时运行。比如说图4-5中的G0此时因为网络I/O而阻塞了M，那么P就会携带剩余的G投入到其他M中。这个新的M（图4-6中的M1）可能是新创建的，也可能是从调度器空闲M列表中获取的这取决于此时的调度器空闲M列表中是否存在M，这样的机制设计也是为了避免M过多创建。运行机制如图4-6所示。

当M对应的内核线程被唤醒时，M将会尝试为G0捕获一个P上下文，可能是从调度器的空闲P列表中获取，如果获取不成功，M会把G0放入到调度器的可执行G队列中，等待其他P的查找。为了保证G的均衡执行，非空闲的P运行完自身的可执行G队列后，会周期性从调度器的可执行G队列中获取待执行的G，甚至从其他的P的可执行G队列中掠夺G。

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

1、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。

2、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。

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。

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。

1）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。

2）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

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。

调度器的生命周期

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。

我们来跟踪一段代码

package main

import "fmt"

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

runtime创建最初的线程m0和goroutine g0，并把2者关联。
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。
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。
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。
G拥有栈，M根据G中的栈信息和调度信息设置运行环境
M运行G
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。

可视化GMP编程

方式1go tool trace

trace记录了运行时的信息，能提供可视化的Web页面。

简单测试代码：main函数创建trace，trace会运行在单独的goroutine中，然后main打印”Hello World”退出。

package main

import (
    "os"
    "fmt"
    "runtime/trace"
)

func main() {

    //创建trace文件
    f, err := os.Create("trace.out")
    if err != nil {
        panic(err)
    }

    defer f.Close()

    //启动trace goroutine
    err = trace.Start(f)
    if err != nil {
        panic(err)
    }
    defer trace.Stop()

    //main
    fmt.Println("Hello World")
}

方式2：Debug trace

Go调度器调度场景过程全解析

(1)场景1

P拥有G1，M1获取P后开始运行G1，G1使用go func()创建了G2，为了局部性G2优先加入到P1的本地队列。

(2)场景

G1运行完成后(函数：goexit)，M上运行的goroutine切换为G0，G0负责调度时协程的切换（函数：schedule）。从P的本地队列取G2，从G0切换到G2，并开始运行G2(函数：execute)。实现了线程M1的复用。

(3)场景3

假设每个P的本地队列只能存3个G。G2要创建了6个G，前3个G（G3, G4, G5）已经加入p1的本地队列，p1本地队列满了。

(4)场景4

G2在创建G7的时候，发现P1的本地队列已满，需要执行负载均衡(把P1中本地队列中前一半的G，还有新创建G转移到全局队列)

（实现中并不一定是新的G，如果G是G2之后就执行的，会被保存在本地队列，利用某个老的G替换新G加入全局队列）

这些G被转移到全局队列时，会被打乱顺序。所以G3,G4,G7被转移到全局队列

(5)场景

G2创建G8时，P1的本地队列未满，所以G8会被加入到P1的本地队列。

G8加入到P1点本地队列的原因还是因为P1此时在与M1绑定，而G2此时是M1在执行。所以G2创建的新的G会优先放置到自己的M绑定的P上。

(6)场景6

规定：在创建G时，运行的G会尝试唤醒其他空闲的P和M组合去执行。

假定G2唤醒了M2，M2绑定了P2，并运行G0，但P2本地队列没有G，M2此时为自旋线程（没有G但为运行状态的线程，不断寻找G）。

(7)场景7

M2尝试从全局队列(简称“GQ”)取一批G放到P2的本地队列（函数：findrunnable()）。M2从全局队列取的G数量符合下面的公式：

n =  min(len(GQ) / GOMAXPROCS +  1,  cap(LQ) / 2 )

(8)场景8

假设G2一直在M1上运行，经过2轮后，M2已经把G7、G4从全局队列获取到了P2的本地队列并完成运行，全局队列和P2的本地队列都空了,如场景8图的左半部分。

全局队列已经没有G，那m就要执行work stealing(偷取)：从其他有G的P哪里偷取一半G过来，放到自己的P本地队列。P2从P1的本地队列尾部取一半的G，本例中一半则只有1个G8，放到P2的本地队列并执行。

(9)场景9

G1本地队列G5、G6已经被其他M偷走并运行完成，当前M1和M2分别在运行G2和G8，M3和M4没有goroutine可以运行，M3和M4处于自旋状态，它们不断寻找goroutine。

为什么要让m3和m4自旋，自旋本质是在运行，线程在运行却没有执行G，就变成了浪费CPU. 为什么不销毁现场，来节约CPU资源。因为创建和销毁CPU也会浪费时间，我们希望当有新goroutine创建时，立刻能有M运行它，如果销毁再新建就增加了时延，降低了效率。当然也考虑了过多的自旋线程是浪费CPU，所以系统中最多有GOMAXPROCS个自旋的线程(当前例子中的GOMAXPROCS=4，所以一共4个P)，多余的没事做线程会让他们休眠。

(10)场景10

假定当前除了M3和M4为自旋线程，还有M5和M6为空闲的线程(没有得到P的绑定，注意我们这里最多就只能够存在4个P，所以P的数量应该永远是M>=P, 大部分都是M在抢占需要运行的P)，G8创建了G9，G8进行了阻塞的系统调用，M2和P2立即解绑，P2会执行以下判断：如果P2本地队列有G、全局队列有G或有空闲的M，P2都会立马唤醒1个M和它绑定，否则P2则会加入到空闲P列表，等待M来获取可用的p。本场景中，P2本地队列有G9，可以和其他空闲的线程M5绑定。