Golang協(xié)程調(diào)度的詳細(xì)分析

這篇文章將為大家詳細(xì)講解有關(guān)Golang協(xié)程調(diào)度的詳細(xì)分析，小編覺得挺實(shí)用的，因此分享給大家做個參考，希望大家閱讀完這篇文章后可以有所收獲。

一、線程模型

• N:1模型，N個用戶空間線程在1個內(nèi)核空間線程上運(yùn)行。優(yōu)勢是上下文切換非?？斓菬o法利用多核系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)。
• 1:1模型，1個內(nèi)核空間線程運(yùn)行一個用戶空間線程。這種充分利用了多核系統(tǒng)的優(yōu)勢但是上下文切換非常慢，因?yàn)槊恳淮握{(diào)度都會在用戶態(tài)和內(nèi)核態(tài)之間切換。（POSIX線程模型(pthread)，Java）
• M:N模型， 每個用戶線程對應(yīng)多個內(nèi)核空間線程，同時也可以一個內(nèi)核空間線程對應(yīng)多個用戶空間線程。Go打算采用這種模型，使用任意個內(nèi)核模型管理任意個goroutine。這樣結(jié)合了以上兩種模型的優(yōu)點(diǎn)，但缺點(diǎn)就是調(diào)度的復(fù)雜性。

下面看看golang的協(xié)程調(diào)度

• M：一個用戶空間線程，同時對應(yīng)一個內(nèi)核線程，類似posix pthread
• P：代表運(yùn)行的上下文環(huán)境, 也就是我們上一節(jié)實(shí)現(xiàn)的調(diào)度器，一個調(diào)度器也會對應(yīng)一個就緒隊(duì)列
• G：goroutine，即協(xié)程

二、調(diào)度模型簡介

groutine能擁有強(qiáng)大的并發(fā)實(shí)現(xiàn)是通過GPM調(diào)度模型實(shí)現(xiàn)，下面就來解釋下goroutine的調(diào)度模型。

Go的調(diào)度器內(nèi)部有三個重要的結(jié)構(gòu)：M，P，G
M：M是對內(nèi)核級線程的封裝，數(shù)量對應(yīng)真實(shí)的CPU數(shù)，一個M就是一個線程，goroutine就是跑在M之上的；M是一個很大的結(jié)構(gòu)，里面維護(hù)小對象內(nèi)存cache（mcache）、當(dāng)前執(zhí)行的goroutine、隨機(jī)數(shù)發(fā)生器等等非常多的信息
G：代表一個goroutine，它有自己的棧，instruction pointer和其他信息（正在等待的channel等等），用于調(diào)度。
P：P全稱是Processor，處理器，它的主要用途就是用來執(zhí)行g(shù)oroutine的。每個Processor對象都擁有一個LRQ（Local Run Queue），未分配的Goroutine對象保存在GRQ（Global Run Queue ）中，等待分配給某一個P的LRQ中，每個LRQ里面包含若干個用戶創(chuàng)建的Goroutine對象。

Golang采用的是多線程模型，更詳細(xì)的說他是一個兩級線程模型，但它對系統(tǒng)線程（內(nèi)核級線程）進(jìn)行了封裝，暴露了一個輕量級的協(xié)程goroutine（用戶級線程）供用戶使用，而用戶級線程到內(nèi)核級線程的調(diào)度由golang的runtime負(fù)責(zé)，調(diào)度邏輯對外透明。goroutine的優(yōu)勢在于上下文切換在完全用戶態(tài)進(jìn)行，無需像線程一樣頻繁在用戶態(tài)與內(nèi)核態(tài)之間切換，節(jié)約了資源消耗。

調(diào)度實(shí)現(xiàn)

從上圖中看，有2個物理線程M，每一個M都擁有一個處理器P，每一個也都有一個正在運(yùn)行的goroutine。
P的數(shù)量可以通過GOMAXPROCS()來設(shè)置，它其實(shí)也就代表了真正的并發(fā)度，即有多少個goroutine可以同時運(yùn)行。
圖中灰色的那些goroutine并沒有運(yùn)行，而是出于ready的就緒態(tài)，正在等待被調(diào)度。P維護(hù)著這個隊(duì)列（稱之為runqueue），
Go語言里，啟動一個goroutine很容易：go function 就行，所以每有一個go語句被執(zhí)行，runqueue隊(duì)列就在其末尾加入一個
goroutine，在下一個調(diào)度點(diǎn)，就從runqueue中取出（如何決定取哪個goroutine？）一個goroutine執(zhí)行。

當(dāng)一個OS線程M0陷入阻塞時（如下圖)，P轉(zhuǎn)而在運(yùn)行M1，圖中的M1可能是正被創(chuàng)建，或者從線程緩存中取出。

當(dāng)MO返回時，它必須嘗試取得一個P來運(yùn)行g(shù)oroutine，一般情況下，它會從其他的OS線程那里拿一個P過來，
如果沒有拿到的話，它就把goroutine放在一個global runqueue里，然后自己睡眠（放入線程緩存里）。所有的P也會周期性的檢查global runqueue并運(yùn)行其中的goroutine，否則global runqueue上的goroutine永遠(yuǎn)無法執(zhí)行。

另一種情況是P所分配的任務(wù)G很快就執(zhí)行完了（分配不均），這就導(dǎo)致了這個處理器P很忙，但是其他的P還有任務(wù)，此時如果global runqueue沒有任務(wù)G了，那么P不得不從其他的P里拿一些G來執(zhí)行。一般來說，如果P從其他的P那里要拿任務(wù)的話，一般就拿run queue的一半，這就確保了每個OS線程都能充分的使用，如下圖：

三、GPM創(chuàng)建相關(guān)問題

M和P的數(shù)量如何確定？或者說何時會創(chuàng)建M和P？

1、P的數(shù)量：

• 由啟動時環(huán)境變量$GOMAXPROCS或者是由runtime的方法GOMAXPROCS()決定（默認(rèn)是1）。這意味著在程序執(zhí)行的任意時刻都只有$GOMAXPROCS個goroutine在同時運(yùn)行。

2、M的數(shù)量:

• go語言本身的限制：go程序啟動時，會設(shè)置M的最大數(shù)量，默認(rèn)10000.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)，設(shè)置M的最大數(shù)量
• 一個M阻塞了，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。

3、P何時創(chuàng)建：在確定了P的最大數(shù)量n后，運(yùn)行時系統(tǒng)會根據(jù)這個數(shù)量創(chuàng)建n個P。

4、M何時創(chuàng)建：沒有足夠的M來關(guān)聯(lián)P并運(yùn)行其中的可運(yùn)行的G。比如所有的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，而沒有空閑的，就會去創(chuàng)建新的M。

M選擇哪一個P關(guān)聯(lián)？

• M會選擇導(dǎo)致此M被創(chuàng)建的那個P關(guān)聯(lián)。

什么時候會切換P與M的關(guān)聯(lián)關(guān)系？

當(dāng)M因系統(tǒng)調(diào)用而阻塞時（M上運(yùn)行的G進(jìn)入了系統(tǒng)調(diào)用的時候），M與P會分開，如果此時P的就緒隊(duì)列中還有任務(wù)，
P就會去關(guān)聯(lián)一個空閑的M，或者創(chuàng)建一個M進(jìn)行關(guān)聯(lián)。（也就是說go不是像libtask一樣處理IO阻塞的？不確定。）

就緒的G如何選擇進(jìn)入哪個P的就緒隊(duì)列？

• 默認(rèn)情況下：因?yàn)镻的默認(rèn)數(shù)量是1（M不一定是1），所以如果我們不改變GOMAXPROCS，無論我們在程序中用go語句創(chuàng)建多少個goroutine，它們都只會被塞入同一個P的就緒隊(duì)列中。
• 有多個P的情況下：如果修改了GOMAXPROCS或者調(diào)用了runtime.GOMAXPROCS，運(yùn)行時系統(tǒng)會把所有的G均勻的分布在各個P的就緒隊(duì)列中。

如何保證每個P的就緒隊(duì)列中都會有G

如果一個P的就緒隊(duì)列所有任務(wù)都執(zhí)行完了，那么P會嘗試從其他P的就緒隊(duì)列中取出一部分到自己的就緒隊(duì)列中，以保證每個P的就緒隊(duì)列都有任務(wù)可以執(zhí)行。

關(guān)于Golang協(xié)程調(diào)度的詳細(xì)分析就分享到這里了，希望以上內(nèi)容可以對大家有一定的幫助，可以學(xué)到更多知識。如果覺得文章不錯，可以把它分享出去讓更多的人看到。