第一章第二章第三章


一、Golang “调度器” 的由来？
(1) 单进程时代不需要调度器
我们知道，一切的软件都是跑在操作系统上，真正用来干活 (计算) 的是 CPU。早期的操作系统每个程序就是一个进程，直到一个程序运行完，才能进行下一个进程，就是 “单进程时代”
一切的程序只能串行发生。



早期的单进程操作系统，面临 2 个问题：
1. 单一的执行流程，计算机只能一个任务一个任务处理。
2. 进程阻塞所带来的 CPU 时间浪费。
那么能不能有多个进程来宏观一起来执行多个任务呢？
后来操作系统就具有了最早的并发能力：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。
(2) 多进程 / 线程时代有了调度器需求



在多进程 / 多线程的操作系统中，就解决了阻塞的问题，因为一个进程阻塞 cpu 可以立刻切换到其他进程中去执行，而且调度 cpu 的算法可以保证在运行的进程都可以被分配到 cpu 的运行时间片。这样从宏观来看，似乎多个进程是在同时被运行。
但新的问题就又出现了，进程拥有太多的资源，进程的创建、切换、销毁，都会占用很长的时间，CPU 虽然利用起来了，但如果进程过多，CPU 有很大的一部分都被用来进行进程调度了。
怎么才能提高 CPU 的利用率呢？
但是对于 Linux 操作系统来讲，cpu 对进程的态度和线程的态度是一样的。



很明显，CPU 调度切换的是进程和线程。尽管线程看起来很美好，但实际上多线程开发设计会变得更加复杂，要考虑很多同步竞争等问题，如锁、竞争冲突等。
(3) 协程来提高 CPU 利用率
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

好了，然后工程师们就发现，其实一个线程分为 “内核态 “线程和” 用户态 “线程。
一个 “用户态线程” 必须要绑定一个 “内核态线程”，但是 CPU 并不知道有 “用户态线程” 的存在，它只知道它运行的是一个 “内核态线程”(Linux 的 PCB 进程控制块)。



这样，我们再去细化去分类一下，内核线程依然叫 “线程 (thread)”，用户线程叫 “协程 (co-routine)”.



​ 看到这里，我们就要开脑洞了，既然一个协程 (co-routine) 可以绑定一个线程 (thread)，那么能不能多个协程 (co-routine) 绑定一个或者多个线程 (thread) 上呢。
​ 之后，我们就看到了有 3 中协程和线程的映射关系：
N:1 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
  • 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。




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，不存在 N:1 缺点，
缺点：

  • 协程的创建、删除和切换的代价都由 CPU 完成，有点略显昂贵了。




M:N 关系
M 个协程绑定 1 个线程，是 N:1 和 1:1 类型的结合，克服了以上 2 种模型的缺点，但实现起来最为复杂。

runtimeruntime
  • 占用内存更小（几 kb）
  • 调度更灵活 (runtime 调度)

(5) 被废弃的 goroutine 调度器
​ 好了，既然我们知道了协程和线程的关系，那么最关键的一点就是调度协程的调度器的实现了。
Go 目前使用的调度器是 2012 年重新设计的，因为之前的调度器性能存在问题，所以使用 4 年就被废弃了，那么我们先来分析一下被废弃的调度器是如何运作的？
大部分文章都是会用 G 来表示 Goroutine，用 M 来表示线程，那么我们也会用这种表达的对应关系。



下面我们来看看被废弃的 golang 调度器是如何实现的？



M 想要执行、放回 G 都必须访问全局 G 队列，并且 M 有多个，即多线程访问同一资源需要加锁进行保证互斥 / 同步，所以全局 G 队列是有互斥锁进行保护的。
老调度器有几个缺点：

  1. 创建、销毁、调度 G 都需要每个 M 获取锁，这就形成了激烈的锁竞争。
  2. M 转移 G 会造成延迟和额外的系统负载。比如当 G 中包含创建新协程的时候，M 创建了 G’，为了继续执行 G，需要把 G’交给 M’执行，也造成了很差的局部性，因为 G’和 G 是相关的，最好放在 M 上执行，而不是其他 M’。
  3. 系统调用 (CPU 在 M 之间的切换) 导致频繁的线程阻塞和取消阻塞操作增加了系统开销。

二、Goroutine 调度器的 GMP 模型的设计思想
面对之前调度器的问题，Go 设计了新的调度器。
在新调度器中，出列 M (thread) 和 G (goroutine)，又引进了 P (Processor)。



Processor，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。
(1) GMP 模型
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。



GOMAXPROCS

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：

$GOMAXPROCSruntimeGOMAXPROCS()$GOMAXPROCS

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。
GOMAXPROCSGOMAXPROCSGOMAXPROCSGOMAXPROCS = 核数/2



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。
(4) 调度器的生命周期

M0G0
main.mainruntimeruntime.mainruntime.mainmain.mainruntime.mainmain.mainruntime.mainruntime.exit
runtime.mainruntime.mainruntime.maintrace.outhttp://127.0.0.1:33479view trace






G 信息
点击 Goroutines 那一行可视化的数据条，我们会看到一些详细的信息。



一共有两个G在程序中，一个是特殊的G0，是每个M必须有的一个初始化的G，这个我们不必讨论。
其中 G1 应该就是 main goroutine (执行 main 函数的协程)，在一段时间内处于可运行和运行的状态。
M 信息
点击 Threads 那一行可视化的数据条，我们会看到一些详细的信息。



一共有两个 M 在程序中，一个是特殊的 M0，用于初始化使用，这个我们不必讨论。
P 信息

main.maintrace goroutine g18



我们会发现，确实 G18 在 P0 上被运行的时候，确实在 Threads 行多了一个 M 的数据，点击查看如下：



多了一个 M2 应该就是 P0 为了执行 G18 而动态创建的 M2.
方式 2：Debug trace
package main import ( "fmt" "time" ) func main() { for i := 0; i < 5; i++ { time.Sleep(time.Second) fmt.Println("Hello World") } }
编译
$ go build trace2.go
通过 Debug 方式运行
$ GODEBUG=schedtrace=1000 ./trace2 SCHED 0ms: gomaxprocs=2 idleprocs=0 threads=4 spinningthreads=1 idlethreads=1 runqueue=0 [0 0] Hello World SCHED 1003ms: gomaxprocs=2 idleprocs=2 threads=4 spinningthreads=0 idlethreads=2 runqueue=0 [0 0] Hello World SCHED 2014ms: gomaxprocs=2 idleprocs=2 threads=4 spinningthreads=0 idlethreads=2 runqueue=0 [0 0] Hello World SCHED 3015ms: gomaxprocs=2 idleprocs=2 threads=4 spinningthreads=0 idlethreads=2 runqueue=0 [0 0] Hello World SCHED 4023ms: gomaxprocs=2 idleprocs=2 threads=4 spinningthreads=0 idlethreads=2 runqueue=0 [0 0] Hello World

SCHED0msgomaxprocsidleprocshreads: os threads/Mspinningthreadsidlethreadrunqueue=0[0 0]
go func()



goexitscheduleexecute



(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 5
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）。

findrunnable()



假定我们场景中一共有 4 个 P（GOMAXPROCS 设置为 4，那么我们允许最多就能用 4 个 P 来供 M 使用）。所以 M2 只从能从全局队列取 1 个 G（即 G3）移动 P2 本地队列，然后完成从 G0 到 G3 的切换，运行 G3。

(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。

GOMAXPROCSGOMAXPROCS

(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。



(11) 场景 11
G8 创建了 G9，假如 G8 进行了非阻塞系统调用。



​ M2 和 P2 会解绑，但 M2 会记住 P2，然后 G8 和 M2 进入系统调用状态。当 G8 和 M2 退出系统调用时，会尝试获取 P2，如果无法获取，则获取空闲的 P，如果依然没有，G8 会被记为可运行状态，并加入到全局队列，M2 因为没有 P 的绑定而变成休眠状态 (长时间休眠等待 GC 回收销毁)。

四、小结
总结，Go 调度器很轻量也很简单，足以撑起 goroutine 的调度工作，并且让 Go 具有了原生（强大）并发的能力。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。