Golang 調(diào)度器 GPM模型

1 多進(jìn)程/線程時代有了調(diào)度器需求

在多進(jìn)程/多線程的操作系統(tǒng)中，就解決了阻塞的問題，因為一個進(jìn)程阻塞cpu可以立刻切換到其他進(jìn)程中去執(zhí)行，而且調(diào)度cpu的算法可以保證在運行的進(jìn)程都可以被分配到cpu的運行時間片。這樣從宏觀來看，似乎多個進(jìn)程是在同時被運行。

上圖為一個CPU通過調(diào)度器切換CPU時間軸的情景。如果未來滿足宏觀上每個進(jìn)程／線程是一起執(zhí)行的，則CPU必須切換，每個進(jìn)程會被分配到一個時間片中。

但新的問題就又出現(xiàn)了，進(jìn)程擁有太多的資源，進(jìn)程的創(chuàng)建、切換、銷毀，都會占用很長的時間，CPU雖然利用起來了，但如果進(jìn)程過多，CPU有很大的一部分都被用來進(jìn)行進(jìn)程調(diào)度了。如下圖所示：

對于Linux操作系統(tǒng)來言，CPU對進(jìn)程和線程的態(tài)度是一樣的，如圖1.3所示，如果系統(tǒng)的CPU數(shù)量過少，而進(jìn)程／線程數(shù)量比較龐大，則相互切換的頻率也就會很高，其中中間的切換成本越來越大。這一部分的性能消耗實際上是沒有做在對程序有用的計算算力上，所以盡管線程看起來很美好，但實際上多線程開發(fā)設(shè)計會變得更加復(fù)雜，開發(fā)者要考慮很多同步競爭的問題，如鎖、資源競爭、同步?jīng)_突等。

2 協(xié)程來提高CPU利用率

那么如何才能提高CPU的利用率呢？多進(jìn)程、多線程已經(jīng)提高了系統(tǒng)的并發(fā)能力，但是在當(dāng)今互聯(lián)網(wǎng)高并發(fā)場景下，為每個任務(wù)都創(chuàng)建一個線程是不現(xiàn)實的，因為這樣就會出現(xiàn)極大量的線程同時運行，不僅切換頻率高，也會消耗大量的內(nèi)存：進(jìn)程虛擬內(nèi)存會占用4GB（32位操作系統(tǒng)），而線程也要大約4MB。大量的進(jìn)程或線程出現(xiàn)了以下兩個新的問題。

• (1)高內(nèi)存占用。
• (2)調(diào)度的高消耗CPU。

工程師發(fā)現(xiàn)其實可以把一個線程分為“內(nèi)核態(tài)”和“用戶態(tài)”兩種形態(tài)的線程。所謂用戶態(tài)線程就是把內(nèi)核態(tài)的線程在用戶態(tài)實現(xiàn)了一遍而已，目的是更輕量化（更少的內(nèi)存占用、更少的隔離、更快的調(diào)度）和更高的可控性（可以自己控制調(diào)度器）。用戶態(tài)中的所有東西內(nèi)核態(tài)都看得見，只是對于內(nèi)核而言用戶態(tài)線程只是一堆內(nèi)存數(shù)據(jù)而已。

一個用戶態(tài)線程必須綁定一個內(nèi)核態(tài)線程，但是CPU并不知道有用戶態(tài)線程的存在，它只知道它運行的是一個內(nèi)核態(tài)線程（Linux的PCB進(jìn)程控制塊），如下圖所示：

如果將線程再進(jìn)行細(xì)化，內(nèi)核線程依然叫 線程(Thread) ，而用戶線程則叫 協(xié)程(Co-routine) 。操作系統(tǒng)層面的線程就是所謂的內(nèi)核態(tài)線程，用戶態(tài)線程則多種多樣，只要能滿足在同一個內(nèi)核線程上執(zhí)行多個任務(wù)，例如Co-routine、Go的Goroutine、C#的Task等。

既然一個協(xié)程可以綁定一個線程，那么能不能多個協(xié)程綁定一個或者多個線程呢？接下來有3種協(xié)程和線程的映射關(guān)系，它們分別是 N : 1 關(guān)系、 1 : 1 關(guān)系和 M : N 關(guān)系。

3 N比1關(guān)系

N個協(xié)程綁定1個線程，優(yōu)點就是協(xié)程在用戶態(tài)線程即完成切換，不會陷入內(nèi)核態(tài)，這種切換非常輕量快速，但缺點也很明顯，1個進(jìn)程的所有協(xié)程都綁定在1個線程上，如圖所示。

N：1關(guān)系面臨的幾個問題如下：

• (1) 某個程序用不了硬件的多核加速能力。
• (2) 某一個協(xié)程阻塞，會造成線程阻塞，本進(jìn)程的其他協(xié)程都無法執(zhí)行了，進(jìn)而導(dǎo)致沒有任何并發(fā)能力。

4 1比1關(guān)系

1個協(xié)程綁定1個線程，這種方式最容易實現(xiàn)。協(xié)程的調(diào)度都由CPU完成了，雖然不存在N：1的缺點，但是協(xié)程的創(chuàng)建、刪除和切換的代價都由CPU完成，成本和代價略顯昂貴。協(xié)程和線程的1：1關(guān)系如圖所示。

5 M比N關(guān)系

M個協(xié)程綁定1個線程，是 N: 1 和 1 : 1 類型的結(jié)合，克服了以上兩種模型的缺點，但實現(xiàn)起來最為復(fù)雜。同一個調(diào)度器上掛載M個協(xié)程，調(diào)度器下游則是多個CPU核心資源。協(xié)程跟線程是有區(qū)別的，線程由CPU調(diào)度是搶占式的，協(xié)程由用戶態(tài)調(diào)度是協(xié)作式的，一個協(xié)程讓出CPU后，才執(zhí)行下一個協(xié)程，所以針對 M : N 模型的中間層的調(diào)度器設(shè)計就變得尤為重要，提高線程和協(xié)程的綁定關(guān)系和執(zhí)行效率也變?yōu)椴煌Z言在設(shè)計調(diào)度器時的優(yōu)先目標(biāo)。

6 Go語言的協(xié)程goroutine

Go語言為了提供更容易使用的并發(fā)方法，使用了Goroutine和Channel。Goroutine來自協(xié)程的概念，讓一組可復(fù)用的函數(shù)運行在一組線程之上，即使有協(xié)程阻塞，該線程的其他協(xié)程也可以被runtime調(diào)度，從而轉(zhuǎn)移到其他可運行的線程上。最關(guān)鍵的是，程序員看不到這些底層的細(xì)節(jié)，這就降低了編程的難度，提供了更容易的并發(fā)。

在Go語言中，協(xié)程被稱為Goroutine，它非常輕量，一個Goroutine只占幾KB，并且這幾KB就足夠Goroutine運行完，這就能在有限的內(nèi)存空間內(nèi)支持大量Goroutine，從而支持更多的并發(fā)。雖然一個Goroutine的棧只占幾KB，但實際是可伸縮的，如果需要更多內(nèi)存，則runtime會自動為Goroutine分配。

Goroutine的特點，占用內(nèi)存更小（幾KB）和調(diào)度更靈活（runtime調(diào)度）。

7 被廢棄的goroutine調(diào)度器

Go語言目前使用的調(diào)度器是2012年重新設(shè)計的，因為之前的調(diào)度器性能存在問題，所以使用4年就被廢棄了，那么先來分析一下被廢棄的調(diào)度器是如何運作的。

通常用符號G表示Goroutine，用M表示線程。接下來有關(guān)調(diào)度器的內(nèi)容均采用圖1.8所示的符號來統(tǒng)一表達(dá)。

早期的調(diào)度器是基于M：N的基礎(chǔ)上實現(xiàn)的，圖1.9是一個概要圖形，所有的協(xié)程，也就是G都會被放在一個全局的Go協(xié)程隊列中，在全局隊列的外面由于是多個M的共享資源，所以會加上一個用于同步及互斥作用的鎖。

M想要執(zhí)行、放回G都必須訪問全局G隊列，并且M有多個，即多線程訪問同一資源需要加鎖進(jìn)行保證互斥／同步，所以全局G隊列是由互斥鎖進(jìn)行保護(hù)的。

不難分析出來，老調(diào)度器有以下幾個缺點：

• (1) 創(chuàng)建、銷毀、調(diào)度G都需要每個M獲取鎖，這就形成了激烈的鎖競爭。
• (2) M轉(zhuǎn)移G會造成延遲和額外的系統(tǒng)負(fù)載。例如當(dāng)G中包含創(chuàng)建新協(xié)程的時候，M創(chuàng)建了G′，為了繼續(xù)執(zhí)行G，需要把G′交給M2（假如被分配到）執(zhí)行，也造成了很差的局部性，因為G′和G是相關(guān)的，最好放在M上執(zhí)行，而不是其他M2，如圖1.10所示
• (3) 系統(tǒng)調(diào)用（CPU在M之間的切換）導(dǎo)致頻繁的線程阻塞和取消阻塞操作增加了系統(tǒng)開銷。

8 Goroutine調(diào)度器的GMP模型的設(shè)計思想

面對之前調(diào)度器的問題，Go設(shè)計了新的調(diào)度器。在新調(diào)度器中，除了 M（線程） 和 G（協(xié)程） ，又引進(jìn)了 P（處理器） 。

處理器包含了運行Goroutine的資源，如果線程想運行Goroutine，必須先獲取P，P中還包含了可運行的G隊列。

9 GPM模型

在Go中，線程是運行Goroutine的實體，調(diào)度器的功能是把可運行的Goroutine分配到工作線程上。

在GPM模型中有以下幾個重要的概念，如圖1.12所示。

• (1)全局隊列(Global Queue)： 存放等待運行的G。全局隊列可能被任意的P去獲取里面的G，所以全局隊列相當(dāng)于整個模型中的全局資源，那么自然對于隊列的讀寫操作是要加入互斥動作的。
• (2)P的本地隊列： 同全局隊列類似，存放的也是等待運行的G，但存放的數(shù)量有限，不超過256個。新建G′時，G′優(yōu)先加入P的本地隊列，如果隊列滿了，則會把本地隊列中一半的G移動到全局隊列。
• (3)P列表： 所有的P都在程序啟動時創(chuàng)建，并保存在數(shù)組中，最多有GOMAXPROCS（可配置）個。
• (4)M： 線程想運行任務(wù)就得獲取P，從P的本地隊列獲取G，當(dāng)P隊列為空時，M也會嘗試從全局隊列獲得一批G放到P的本地隊列，或從其他P的本地隊列“偷”一半放到自己P的本地隊列。M運行G，G執(zhí)行之后，M會從P獲取下一個G，不斷重復(fù)下去。

Goroutine調(diào)度器和OS調(diào)度器是通過M結(jié)合起來的，每個M都代表了1個內(nèi)核線程，OS調(diào)度器負(fù)責(zé)把內(nèi)核線程分配到CPU的核上執(zhí)行。

10 有關(guān)P和M個數(shù)的問題

• (1) P的數(shù)量由啟動時環(huán)境變量 $GOMAXPROCS 或者由 runtime 的方法 GOMAXPROCS( ) 決定。這意味著在程序執(zhí)行的任意時刻都只有 $GOMAXPROCS 個 Goroutine在 同時運行。
• (2)M的數(shù)量由Go語言本身的限制決定，Go程序啟動時會設(shè)置M的最大數(shù)量，默認(rèn)為10000個，但是內(nèi)核很難支持這么多的線程數(shù)，所以這個限制可以忽略。runtime/deBug 中的 SetMaxThreads( ) 函數(shù)可設(shè)置M的最大數(shù)量，當(dāng)一個M阻塞了時會創(chuàng)建新的M。

M與P的數(shù)量沒有絕對關(guān)系，一個M阻塞，P就會去創(chuàng)建或者切換另一個M，所以，即使P的默認(rèn)數(shù)量是1，也有可能會創(chuàng)建很多個M出來。

11 有關(guān)P和M何時被創(chuàng)建

• (1) P創(chuàng)建的時機(jī)在確定了P的最大數(shù)量n后，運行時系統(tǒng)會根據(jù)這個數(shù)量創(chuàng)建n個P。
• (2) M創(chuàng)建的時機(jī)是在當(dāng)沒有足夠的M來關(guān)聯(lián)P并運行其中可運行的G的時候。例如所有的M此時都阻塞住了，而P中還有很多就緒任務(wù)，就會去尋找空閑的M，如果此時沒有空閑的M，就會去創(chuàng)建新的M。

12 調(diào)度器的設(shè)計策略

策略一：復(fù)用線程

避免頻繁地創(chuàng)建、銷毀線程，而是對線程的復(fù)用。

1)偷取(Work Stealing)機(jī)制

當(dāng)本線程無可運行的G時，嘗試從其他線程綁定的P偷取G，而不是銷毀線程，如圖1.13所示

這里需要注意的是，偷取的動作一定是由P發(fā)起的，而非M，因為P的數(shù)量是固定的，如果一個M得不到一個P，那么這個M是沒有執(zhí)行的本地隊列的，更談不上向其他的P隊列偷取了。

2)移交(Hand Off)機(jī)制

當(dāng)本線程因為G進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)用阻塞時，線程會釋放綁定的P，把P轉(zhuǎn)移給其他空閑的線程執(zhí)行，如圖1.14所示，此時若在M1的GPM組合中，G1正在被調(diào)度，并且已經(jīng)發(fā)生了阻塞，則這個時候就會觸發(fā)移交的設(shè)計機(jī)制。GPM模型為了更大程度地利用M和P的性能，不會讓一個P永遠(yuǎn)被一個阻塞的G1耽誤之后的工作，所以遇見這種情況的時候，移交機(jī)制的設(shè)計理念是應(yīng)該立刻將此時的P釋放出來

如圖1.15所示，為了釋放P，所以將P和M1、G1分離，M1由于正在執(zhí)行當(dāng)前的G1，全部的程序?？臻g均在M1中保存，所以M1此時應(yīng)該與G1一同進(jìn)入阻塞的狀態(tài)，但是已經(jīng)被釋放的P需要跟另一個M進(jìn)行綁定，所以就會選擇一個M3（如果此時沒有M3，則會創(chuàng)建一個新的或者喚醒一個正在睡眠的M）進(jìn)行綁定，這樣新的P就會繼續(xù)工作，接收新的G或者從其他的隊列中實施偷取機(jī)制。

策略二：利用并行

GOMAXPROCS 設(shè)置P的數(shù)量，最多有 GOMAXPROCS 個線程分布在多個CPU上同時運行。 GOMAXPROCS 也限制了并發(fā)的程度，例如 GOMAXPROCS=核數(shù)/2 ，表示最多利用一半的CPU核進(jìn)行并行。

策略三：搶占

在Co-routine中要等待一個協(xié)程主動讓出CPU才執(zhí)行下一個協(xié)程，在Go中，一個Goroutine最多占用CPU 10ms，防止其他Goroutine無資源可用，這就是Goroutine不同于Co-routine的一個地方。

• Co-routine（C語言中的協(xié)程），用戶態(tài)線程。
• coroutine 是基于 ucontext 的一個 C 語言協(xié)程庫實現(xiàn)

策略四：全局G隊列

在新的調(diào)度器中依然有全局G隊列，但功能已經(jīng)被弱化了，當(dāng)M執(zhí)行偷取，但從其他P偷不到G時，它可以從全局G隊列獲取G。

13 go func() 調(diào)度流程

如果執(zhí)行一行代碼 go func( ) ，則在GPM模型上的概念里會執(zhí)行哪些操作。

(1)通過 go func( ) 創(chuàng)建一個Goroutine，

(2)有兩個存儲G的隊列，一個是局部調(diào)度器P的本地隊列，另一個是全局G隊列。新創(chuàng)建的G會先保存在P的本地隊列中，如果P的本地隊列已經(jīng)滿了，就會保存在全局的隊列中，如圖1.19所示。

(3)G只能運行在M中，一個M必須持有一個P，M與P是1：1的關(guān)系。M會從P的本地隊列彈出一個可執(zhí)行狀態(tài)的G來執(zhí)行，如果P的本地隊列為空，則會從全局隊列進(jìn)行獲取，如果從全局隊列獲取不到，則會向其他的MP組合偷取一個可執(zhí)行的G來執(zhí)行，如圖1.20所示。

(4)一個M調(diào)度G執(zhí)行的過程是一個循環(huán)機(jī)制，如圖1.21所示。

(5)當(dāng)M執(zhí)行某一個G時如果發(fā)生了syscall或者其余阻塞操作，則M會阻塞，如果當(dāng)前有一些G在執(zhí)行，runtime則會把這個線程M從P中移除(Detach)，然后創(chuàng)建一個新的操作系統(tǒng)線程（如果有空閑的線程可用就復(fù)用空閑線程）來服務(wù)于這個P。

(6)當(dāng)M系統(tǒng)調(diào)用結(jié)束時，這個G會嘗試獲取一個空閑的P執(zhí)行，并放入這個P的本地隊列。如果獲取不到P，則這個線程M會變成休眠狀態(tài)，加入空閑線程中，然后這個G會被放入全局隊列中。

14 調(diào)度器的生命周期

在Go語言調(diào)度器的GPM模型中還有兩個比較特殊的角色，它們分別是M0和G0。

M0

• (1)啟動程序后的編號為0的主線程。
• (2)在全局命令runtime.m0中，不需要在heap堆上分配。
• (3)負(fù)責(zé)執(zhí)行初始化操作和啟動第1個G。
• (4)啟動第1個G后，M0就和其他的M一樣了。

G0

• (1)每次啟動一個M，創(chuàng)建的第1個Goroutine就是G0。
• (2)G0僅用于負(fù)責(zé)調(diào)度G。
• (3)G0不指向任何可執(zhí)行的函數(shù)。
• (4)每個M都會有一個自己的G0。
• (5)在調(diào)度或系統(tǒng)調(diào)度時，會使用M切換到G0，再通過G0調(diào)度。
• (6)M0的G0會放在全局空間。

一個Goroutine的創(chuàng)建周期如果加上M0和G0的角色，則整體的流程如圖1.24所示。

下面跟蹤一段代碼，對調(diào)度器里面的結(jié)構(gòu)做一個分析，代碼如下：

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

整體的分析過程如下：

• (1)runtime創(chuàng)建最初的線程 M0 和 Goroutine G0 ，并把二者關(guān)聯(lián)。
• (2)調(diào)度器初始化：初始化M0、棧、垃圾回收，以及創(chuàng)建和初始化由 GOMAXPROCS 個 P 構(gòu)成的 P列表 ，如圖1.25所示。
• (3)示例代碼中的 main( ) 函數(shù)是 main.main ，runtime中也有1個main()函數(shù) runtime.main ，代碼經(jīng)過編譯后， runtime.main 會調(diào)用 main.main ，程序啟動時會為 runtime.main 創(chuàng)建Goroutine，稱為 Main Goroutine ，然后把 Main Goroutine 加入P的本地隊列。
• (4)啟動M0，M0已經(jīng)綁定了P，會從P的本地隊列獲取G，并獲取 Main Goroutine 。
• (5)G擁有棧，M根據(jù)G中的棧信息和調(diào)度信息設(shè)置運行環(huán)境。
• (6)M運行G。
• (7)G退出，再次回到M獲取可運行的G，這樣重復(fù)下去，直到 main.main 退出， runtime.main 執(zhí)行Defer和Panic處理，或調(diào)用 runtime.exit 退出程序。

調(diào)度器的生命周期幾乎占滿了一個Go程序的一生， runtime.main 的Goroutine執(zhí)行之前都是為調(diào)度器做準(zhǔn)備工作， runtime.main 的Goroutine運行才是調(diào)度器的真正開始，直到 runtime.main 結(jié)束而結(jié)束。

總結(jié)

以上為個人經(jīng)驗，希望能給大家一個參考，也希望大家多多支持腳本之家。

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