前言

随着服务器硬件迭代升级，配置也越来越高。为充分利用服务器资源，并发编程也变的越来越重要。在开始之前，需要了解一下并发 (concurrency) 和并行 (parallesim) 的区别。

并发: 逻辑上具有处理多个同时性任务的能力。

并行: 物理上同一时刻执行多个并发任务。

通常所说的并发编程，也就是说它允许多个任务同时执行，但实际上并不一定在同一时刻被执行。在单核处理器上，通过多线程共享 CPU 时间片串行执行 (并发非并行)。而并行则依赖于多核处理器等物理资源，让多个任务可以实现并行执行 (并发且并行)。

多线程或多进程是并行的基本条件，但单线程也可以用协程 (coroutine) 做到并发。简单将 Goroutine 归纳为协程并不合适，因为它运行时会创建多个线程来执行并发任务，且任务单元可被调度到其它线程执行。这更像是多线程和协程的结合体，能最大限度提升执行效率，发挥多核处理器能力。

Go 编写一个并发编程程序很简单，只需要在函数之前使用一个 Go 关键字就可以实现并发编程。

  1. func main() {    go func(){
  2.         fmt.Println("Hello,World!")
  3.     }()
  4. }

Go调度器组成

Go语言虽然使用一个Go关键字即可实现并发编程，但Goroutine被调度到后端之后，具体的实现比较复杂。先看看调度器有哪几部分组成。

1、G

G是Goroutine的缩写，相当于操作系统中的进程控制块，在这里就是Goroutine的控制结构，是对Goroutine的抽象。其中包括执行的函数指令及参数；G保存的任务对象；线程上下文切换，现场保护和现场恢复需要的寄存器(SP、IP)等信息。

Go不同版本Goroutine默认栈大小不同。

  3. _StackMin = 2048
  7. func newproc1(fn *funcval, argp *uint8, narg int32, callergp *g, callerpc uintptr) {
  8.     _g_ := getg()
  10.     _g_.m.locks++
  11.     siz := narg
  12.     siz = (siz + 7) &^ 7
  14.     _p_ := _g_.m.p.ptr()
  15.     newg := gfget(_p_)    
  16.     if newg == nil {        
  18.         newg = malg(_StackMin)
  19.         casgstatus(newg, _Gidle, _Gdead)
  20.         allgadd(newg)
  21.     }

2、M

M是一个线程或称为Machine，所有M是有线程栈的。如果不对该线程栈提供内存的话，系统会给该线程栈提供内存(不同操作系统提供的线程栈大小不同)。当指定了线程栈，则M.stack→G.stack，M的PC寄存器指向G提供的函数，然后去执行。

  1. type m struct {    
  2.     /*
  3.         1.  所有调用栈的Goroutine,这是一个比较特殊的Goroutine。
  4.         2.  普通的Goroutine栈是在Heap分配的可增长的stack,而g0的stack是M对应的线程栈。
  5.         3.  所有调度相关代码,会先切换到该Goroutine的栈再执行。
  6.     */
  7.     g0       *g
  8.     curg     *g         // M当前绑定的结构体G
  10.     // SP、PC寄存器用于现场保护和现场恢复
  11.     vdsoSP uintptr
  12.     vdsoPC uintptr
  14.     // 省略…}

3、P

P(Processor)是一个抽象的概念，并不是真正的物理CPU。所以当P有任务时需要创建或者唤醒一个系统线程来执行它队列里的任务。所以P/M需要进行绑定，构成一个执行单元。

P决定了同时可以并发任务的数量，可通过GOMAXPROCS限制同时执行用户级任务的操作系统线程。可以通过runtime.GOMAXPROCS进行指定。在Go1.5之后GOMAXPROCS被默认设置可用的核数，而之前则默认为1。

  2. func GOMAXPROCS(n int) int {    
  4.     ret := int(gomaxprocs)
  6.     stopTheWorld("GOMAXPROCS")    
  8.     newprocs = int32(n)
  9.     startTheWorld()    
  10.     return ret
  11. }
  4. func getproccount() int32 {    
  5.     const maxCPUs = 64 * 1024
  6.     var buf [maxCPUs / 8]byte
  10.     r := sched_getaffinity(0, unsafe.Sizeof(buf), &buf[0])
  12.     n := int32(0)    
  13.     for _, v := range buf[:r] {        
  14.        for v != 0 {
  15.             n += int32(v & 1)
  16.             v >>= 1
  17.         }
  18.     }    
  19.     if n == 0 {
  20.        n = 1
  21.     }    
  22.     return n
  23. }
  31. sys_linux_amd64.s:
  32. TEXT runtime·sched_getaffinity(SB),NOSPLIT,$0
  33.     MOVQ    pid+0(FP), DI
  34.     MOVQ    len+8(FP), SI
  35.     MOVQ    buf+16(FP), DX
  36.     MOVL    $SYS_sched_getaffinity, AX
  37.     SYSCALL
  38.     MOVL    AX, ret+24(FP)
  39.     RET

Go调度器调度过程

首先创建一个G对象，G对象保存到P本地队列或者是全局队列。P此时去唤醒一个M。P继续执行它的执行序。M寻找是否有空闲的P，如果有则将该G对象移动到它本身。接下来M执行一个调度循环(调用G对象->执行->清理线程→继续找新的Goroutine执行)。

M执行过程中，随时会发生上下文切换。当发生上线文切换时，需要对执行现场进行保护，以便下次被调度执行时进行现场恢复。Go调度器M的栈保存在G对象上，只需要将M所需要的寄存器(SP、PC等)保存到G对象上就可以实现现场保护。当这些寄存器数据被保护起来，就随时可以做上下文切换了，在中断之前把现场保存起来。如果此时G任务还没有执行完，M可以将任务重新丢到P的任务队列，等待下一次被调度执行。当再次被调度执行时，M通过访问G的vdsoSP、vdsoPC寄存器进行现场恢复(从上次中断位置继续执行)。

深入Golang调度器之GMP模型 - sunsky303 - 博客园 - 图1

1、P 队列
通过上图可以发现，P有两种队列：本地队列和全局队列。

  • 本地队列： 当前P的队列，本地队列是Lock-Free，没有数据竞争问题，无需加锁处理，可以提升处理速度。

  • 全局队列： 全局队列为了保证多个P之间任务的平衡。所有M共享P全局队列，为保证数据竞争问题，需要加锁处理。相比本地队列处理速度要低于全局队列。

2、上线文切换

简单理解为当时的环境即可，环境可以包括当时程序状态以及变量状态。例如线程切换的时候在内核会发生上下文切换，这里的上下文就包括了当时寄存器的值，把寄存器的值保存起来，等下次该线程又得到cpu时间的时候再恢复寄存器的值，这样线程才能正确运行。

对于代码中某个值说，上下文是指这个值所在的局部(全局)作用域对象。相对于进程而言，上下文就是进程执行时的环境，具体来说就是各个变量和数据，包括所有的寄存器变量、进程打开的文件、内存(堆栈)信息等。

3、线程清理
Goroutine被调度执行必须保证P/M进行绑定，所以线程清理只需要将P释放就可以实现线程的清理。什么时候P会释放，保证其它G可以被执行。P被释放主要有两种情况。

  • 主动释放：最典型的例子是，当执行G任务时有系统调用，当发生系统调用时M会处于Block状态。调度器会设置一个超时时间，当超时时会将P释放。

  • 被动释放： 如果发生系统调用，有一个专门监控程序，进行扫描当前处于阻塞的P/M组合。当超过系统程序设置的超时时间，会自动将P资源抢走。去执行队列的其它G任务。

终于要来说说Golang中最吸引人的goroutine了，这也是Golang能够横空出世的主要原因。不同于Python基于进程的并发模型，以及C++、Java等基于线程的并发模型。Golang采用轻量级的goroutine来实现并发，可以大大减少CPU的切换。现在已经有太多的文章来介绍goroutine的用法，在这里，我们从源码的角度来看看其内部实现。

重申一下重点：goroutine中的三个实体

goroutine中最主要的是三个实体为GMP，其中：

G: 代表一个goroutine对象，每次go调用的时候，都会创建一个G对象，它包括栈、指令指针以及对于调用goroutines很重要的其它信息，比如阻塞它的任何channel，其主要数据结构：

type g struct { stack stack // 描述了真实的栈内存，包括上下界

m *m // 当前的m sched gobuf // goroutine切换时，用于保存g的上下文
param unsafe.Pointer // 用于传递参数，睡眠时其他goroutine可以设置param，唤醒时该goroutine可以获取 atomicstatus uint32 stackLock uint32 goid int64 // goroutine的ID waitsince int64 // g被阻塞的大体时间 lockedm *m // G被锁定只在这个m上运行 }

其中最主要的当然是sched了，保存了goroutine的上下文。goroutine切换的时候不同于线程有OS来负责这部分数据，而是由一个gobuf对象来保存，这样能够更加轻量级，再来看看gobuf的结构：

type gobuf struct { sp uintptr pc uintptr g guintptr ctxt unsafe.Pointer ret sys.Uintreg lr uintptr bp uintptr // for GOEXPERIMENT=framepointer }

其实就是保存了当前的栈指针，计数器，当然还有g自身，这里记录自身g的指针是为了能快速的访问到goroutine中的信息。

M：代表一个线程，每次创建一个M的时候，都会有一个底层线程创建；所有的G任务，最终还是在M上执行，其主要数据结构：

type m struct { g0 *g // 带有调度栈的goroutine

  1. gsignal       \*g         // 处理信号的goroutine
  2. tls           \[6\]uintptr // thread-local storage
  3. mstartfn      func()
  4. curg          \*g       // 当前运行的goroutine
  5. caughtsig     guintptr 
  6. p             puintptr // 关联p和执行的go代码
  7. nextp         puintptr
  8. id            int32
  9. mallocing     int32 // 状态
  11. spinning      bool // m是否out of work
  12. blocked       bool // m是否被阻塞
  13. inwb          bool // m是否在执行写屏蔽
  15. printlock     int8
  16. incgo         bool // m在执行cgo吗
  17. fastrand      uint32
  18. ncgocall      uint64      // cgo调用的总数
  19. ncgo          int32       // 当前cgo调用的数目
  20. park          note
  21. alllink       \*m // 用于链接allm
  22. schedlink     muintptr
  23. mcache        \*mcache // 当前m的内存缓存
  24. lockedg       \*g // 锁定g在当前m上执行，而不会切换到其他m
  25. createstack   \[32\]uintptr // thread创建的栈

}

结构体M中有两个G是需要关注一下的，一个是curg，代表结构体M当前绑定的结构体G。另一个是g0，是带有调度栈的goroutine，这是一个比较特殊的goroutine。普通的goroutine的栈是在堆上分配的可增长的栈，而g0的栈是M对应的线程的栈。所有调度相关的代码，会先切换到该goroutine的栈中再执行。也就是说线程的栈也是用的g实现，而不是使用的OS的。

P：代表一个处理器，每一个运行的M都必须绑定一个P，就像线程必须在么一个CPU核上执行一样，由P来调度G在M上的运行，P的个数就是GOMAXPROCS（最大256），启动时固定的，一般不修改；M的个数和P的个数不一定一样多（会有休眠的M或者不需要太多的M）（最大10000）；每一个P保存着本地G任务队列，也有一个全局G任务队列。P的数据结构：

type p struct { lock mutex

  1. id          int32
  2. status      uint32 // 状态，可以为pidle/prunning/...
  3. link        puintptr
  4. schedtick   uint32     // 每调度一次加1
  5. syscalltick uint32     // 每一次系统调用加1
  6. sysmontick  sysmontick 
  7. m           muintptr   // 回链到关联的m
  8. mcache      \*mcache
  9. racectx     uintptr
  11. goidcache    uint64 // goroutine的ID的缓存
  12. goidcacheend uint64
  14. // 可运行的goroutine的队列
  15. runqhead uint32
  16. runqtail uint32
  17. runq     \[256\]guintptr
  19. runnext guintptr // 下一个运行的g
  21. sudogcache \[\]\*sudog
  22. sudogbuf   \[128\]\*sudog
  24. palloc persistentAlloc // per-P to avoid mutex
  26. pad \[sys.CacheLineSize\]byte

其中P的状态有Pidle, Prunning, Psyscall, Pgcstop, Pdead；在其内部队列runqhead里面有可运行的goroutine，P优先从内部获取执行的g，这样能够提高效率。

除此之外，还有一个数据结构需要在这里提及，就是schedt，可以看做是一个全局的调度者：

type schedt struct { goidgen uint64 lastpoll uint64

  1. lock mutex
  3. midle        muintptr // idle状态的m
  4. nmidle       int32    // idle状态的m个数
  5. nmidlelocked int32    // lockde状态的m个数
  6. mcount       int32    // 创建的m的总数
  7. maxmcount    int32    // m允许的最大个数
  9. ngsys uint32 // 系统中goroutine的数目，会自动更新
  11. pidle      puintptr // idle的p
  12. npidle     uint32
  13. nmspinning uint32 
  15. // 全局的可运行的g队列
  16. runqhead guintptr
  17. runqtail guintptr
  18. runqsize int32
  20. // dead的G的全局缓存
  21. gflock       mutex
  22. gfreeStack   \*g
  23. gfreeNoStack \*g
  24. ngfree       int32
  26. // sudog的缓存中心
  27. sudoglock  mutex
  28. sudogcache \*sudog

}

大多数需要的信息都已放在了结构体M、G和P中，schedt结构体只是一个壳。可以看到，其中有M的idle队列，P的idle队列，以及一个全局的就绪的G队列。schedt结构体中的Lock是非常必须的，如果M或P等做一些非局部的操作，它们一般需要先锁住调度器。

goroutine的运行过程

所有的goroutine都是由函数newproc来创建的，但是由于该函数不能调用分段栈，最后真正调用的是newproc1。在newproc1中主要进行如下动作：

func newproc1(fn *funcval, argp *uint8, narg int32, nret int32, callerpc uintptr) *g { newg \= malg(_StackMin) casgstatus(newg, _Gidle, _Gdead) allgadd(newg) newg.sched.sp \= sp newg.stktopsp \= sp newg.sched.pc \= funcPC(goexit) + sys.PCQuantum newg.sched.g \= guintptr(unsafe.Pointer(newg)) gostartcallfn(&newg.sched, fn) newg.gopc \= callerpc newg.startpc \= fn.fn …… }

分配一个g的结构体
初始化这个结构体的一些域
将g挂在就绪队列
绑定g到一个m上

这个绑定只要m没有突破上限GOMAXPROCS,就拿一个m绑定一个g。如果m的waiting队列中有就从队列中拿,否则就要新建一个m,调用newm。

func newm(fn func(), _p_ *p) { mp := allocm(_p_, fn) mp.nextp.set(_p_) mp.sigmask \= initSigmask execLock.rlock() newosproc(mp, unsafe.Pointer(mp.g0.stack.hi)) execLock.runlock() }

该函数其实就是创建一个m，跟newproc有些相似，之前也说了m在底层就是一个线程的创建，也即是newosproc函数，在往下挖可以看到会根据不同的OS来执行不同的bsdthread_create函数，而底层就是调用的runtime.clone：

clone(cloneFlags,stk,unsafe.Pointer(mp),unsafe.Pointer(mp.g0),unsafe.Pointer(funcPC(mstart)))

m创建好之后，线程的入口是mstart，最后调用的即是mstart1：

func mstart1() { _g_ := getg() gosave(&_g_.m.g0.sched) _g_.m.g0.sched.pc \= ^uintptr(0) asminit() minit()

  1. if \_g\_.m \== &m0 {
  2.     initsig(false)
  3. }
  5. if fn := \_g\_.m.mstartfn; fn != nil {
  6.     fn()
  7. }
  8. schedule()

}

里面最重要的就是schedule了，在schedule中的动作大体就是找到一个等待运行的g，然后然后搬到m上，设置其状态为Grunning,直接切换到g的上下文环境,恢复g的执行。

func schedule() { _g_ := getg()

  1. if \_g\_.m.lockedg != nil {
  2.     stoplockedm()
  3.     execute(\_g\_.m.lockedg, false) // Never returns.
  4. }

}

schedule的执行可以大体总结为：

schedule函数获取g => [必要时休眠] => [唤醒后继续获取] => execute函数执行g => 执行后返回到goexit => 重新执行schedule函数

简单来说g所经历的几个主要的过程就是：Gwaiting->Grunnable->Grunning。经历了创建,到挂在就绪队列,到从就绪队列拿出并运行整个过程。

casgstatus(gp, _Gwaiting, _Grunnable) casgstatus(gp, _Grunnable, _Grunning)

引入了struct M这层抽象。m就是这里的worker,但不是线程。处理系统调用中的m不会占用mcpu数量,只有干事的m才会对应到线程.当mcpu数量少于GOMAXPROCS时可以一直开新的线程干活.而goroutine的执行则是在m和g都满足之后通过schedule切换上下文进入的.

抢占式调度

当有很多goroutine需要执行的时候，是怎么调度的了，上面说的P还没有出场呢，在runtime.main中会创建一个额外m运行sysmon函数，抢占就是在sysmon中实现的。

sysmon会进入一个无限循环, 第一轮回休眠20us, 之后每次休眠时间倍增, 最终每一轮都会休眠10ms. sysmon中有netpool(获取fd事件), retake(抢占), forcegc(按时间强制执行gc), scavenge heap(释放自由列表中多余的项减少内存占用)等处理.

func sysmon() { lasttrace := int64(0) idle := 0 // how many cycles in succession we had not wokeup somebody delay := uint32(0) for { if idle \== 0 { // start with 20us sleep… delay \= 20 } else if idle > 50 { // start doubling the sleep after 1ms… delay *= 2 } if delay > 10*1000 { // up to 10ms delay \= 10 * 1000 } usleep(delay)

  1.     ......
  2. }

}

里面的函数retake负责抢占：

func retake(now int64) uint32 { n := 0 for i := int32(0); i < gomaxprocs; i++ { _p_ := allp[i] if _p_ \== nil { continue } pd := &_p_.sysmontick s := _p_.status if s \== _Psyscall { // 如果p的syscall时间超过一个sysmon tick则抢占该p t := int64(_p_.syscalltick) if int64(pd.syscalltick) != t { pd.syscalltick \= uint32(t) pd.syscallwhen \= now continue } if runqempty(_p_) && atomic.Load(&sched.nmspinning)+atomic.Load(&sched.npidle) > 0 && pd.syscallwhen+10*1000*1000 > now { continue } incidlelocked(-1) if atomic.Cas(&_p_.status, s, _Pidle) { if trace.enabled { traceGoSysBlock(_p_) traceProcStop(_p_) } n++ _p_.syscalltick++ handoffp(_p_) } incidlelocked(1) } else if s \== _Prunning { // 如果G运行时间过长，则抢占该G t := int64(_p_.schedtick) if int64(pd.schedtick) != t { pd.schedtick \= uint32(t) pd.schedwhen \= now continue } if pd.schedwhen+forcePreemptNS > now { continue } preemptone(_p_) } } return uint32(n) }

枚举所有的P 如果P在系统调用中(_Psyscall), 且经过了一次sysmon循环(20us~10ms), 则抢占这个P， 调用handoffp解除M和P之间的关联， 如果P在运行中(_Prunning), 且经过了一次sysmon循环并且G运行时间超过forcePreemptNS(10ms), 则抢占这个P

并设置g.preempt = true，g.stackguard0 = stackPreempt。

为什么设置了stackguard就可以实现抢占?

因为这个值用于检查当前栈空间是否足够, go函数的开头会比对这个值判断是否需要扩张栈。

newstack函数判断g.stackguard0等于stackPreempt, 就知道这是抢占触发的, 这时会再检查一遍是否要抢占。

抢占机制保证了不会有一个G长时间的运行导致其他G无法运行的情况发生。

总结

相比大多数并行设计模型，Go比较优势的设计就是P上下文这个概念的出现，如果只有G和M的对应关系，那么当G阻塞在IO上的时候，M是没有实际在工作的，这样造成了资源的浪费，没有了P，那么所有G的列表都放在全局，这样导致临界区太大，对多核调度造成极大影响。

而goroutine在使用上面的特点，感觉既可以用来做密集的多核计算，又可以做高并发的IO应用，做IO应用的时候，写起来感觉和对程序员最友好的同步阻塞一样，而实际上由于runtime的调度，底层是以同步非阻塞的方式在运行（即IO多路复用）。

所以说保护现场的抢占式调度和G被阻塞后传递给其他m调用的核心思想，使得goroutine的产生。

本文从宏观角度介绍了一下Go调度器的调度过程。Go调度器也是Go语言最精华的部分，希望对大家有所帮助。 https://www.cnblogs.com/sunsky303/p/9705727.html ```