10GMP 原理与调度

Go 程序的执行由两层组成：Go Program，Runtime，即用户程序和运行时。它们之间通过函数调用来实现内存管理、channel 通信、goroutines 创建等功能。用户程序进行的系统调用都会被 Runtime 拦截，以此来帮助它进行调度以及垃圾回收相关的工作。

为什么要 scheduler

Go scheduler 可以说是 Go 运行时的一个最重要的部分了。Runtime 维护所有的 goroutines，并通过 scheduler 来进行调度。Goroutines 和 threads 是独立的，但是 goroutines 要依赖 threads 才能执行。
Go 程序执行的高效和 scheduler 的调度是分不开的。

scheduler 底层原理

三个基础的结构体来实现 goroutines 的调度。g，m，p

g 代表一个 goroutine，它包含：表示 goroutine 栈的一些字段，指示当前 goroutine 的状态，指示当前运行到的指令地址，也就是 PC 值。

m 表示内核线程，包含正在运行的 goroutine 等字段。

p 代表一个虚拟的 Processor，它维护一个处于 Runnable 状态的 g 队列，m 需要获得 p 才能运行 g。

Runtime 起始时会启动一些 G：垃圾回收的 G，执行调度的 G，运行用户代码的 G；并且会创建一个 M 用来开始 G 的运行。随着时间的推移，更多的 G 会被创建出来，更多的 M 也会被创建出来。

在 Go 的早期版本，并没有 p 这个结构体，m 必须从一个全局的队列里获取要运行的 g，因此需要获取一个全局的锁，当并发量大的时候，锁就成了瓶颈。后来在大神 Dmitry Vyokov 的实现里，加上了 p 结构体。每个 p 自己维护一个处于 Runnable 状态的 g 的队列，解决了原来的全局锁问题。

Go scheduler 的核心思想是：

1. reuse threads；
2. 限制同时运行（不包含阻塞）的线程数为 N，N 等于 CPU 的核心数目；
3. 线程私有的 runqueues，并且可以从其他线程 stealing goroutine 来运行，线程阻塞后，可以将 runqueues 传递给其他线程。

Go 程序启动后，会给每个逻辑核心分配一个 P（Logical Processor）；同时，会给每个 P 分配一个 M（Machine，表示内核线程），这些内核线程仍然由 OS scheduler 来调度。

G、P、M 都说完了，还有两个比较重要的组件没有提到： 全局可运行队列（GRQ）和本地可运行队列（LRQ）。 LRQ 存储本地（也就是具体的 P）的可运行 goroutine，GRQ 存储全局的可运行 goroutine，这些 goroutine 还没有分配到具体的 P。

Go scheduler 是 Go runtime 的一部分，它内嵌在 Go 程序里，和 Go 程序一起运行。因此它运行在用户空间，在 kernel 的上一层。和 Os scheduler 抢占式调度（preemptive）不一样，Go scheduler 采用协作式调度（cooperating）。

goroutine 的状态也是三种（简化版的）：

goroutine调度时机有哪些

• 使用go关键字
  • go 创建一个新的 goroutine，Go scheduler 会考虑调度
• GC
  • 由于进行 GC 的 goroutine 也需要在 M 上运行，因此肯定会发生调度。当然，Go scheduler 还会做很多其他的调度，例如调度不涉及堆访问的 goroutine 来运行。GC 不管栈上的内存，只会回收堆上的内存
• 系统调度
  • 当 goroutine 进行系统调用时，会阻塞 M，所以它会被调度走，同时一个新的 goroutine 会被调度上来
• 内存同步访问
  • atomic，mutex，channel 操作等会使 goroutine 阻塞，因此会被调度走。等条件满足后（例如其他 goroutine 解锁了）还会被调度上来继续运行
• time.sleep

什么是M:N模型

• Go runtime 会负责 goroutine 的生老病死，从创建到销毁，都一手包办。Runtime 会在程序启动的时候，创建 M 个线程，之后创建的 N 个 goroutine 都会依附在这 M 个线程上执行。这就是 M:N 模型：
• 在同一时刻，一个线程上只能跑一个 goroutine。当 goroutine 发生阻塞（例如向一个 channel 发送数据，被阻塞）时，runtime 会把当前 goroutine 调度走，让其他 goroutine 来执行。目的就是不让一个线程闲着

GPM是什么

G，取 goroutine 的首字母，主要保存 goroutine 的一些状态信息以及 CPU 的一些寄存器的值，例如 IP 寄存器，以便在轮到本 goroutine 执行时，CPU 知道要从哪一条指令处开始执行。

当 goroutine 被调离 CPU 时，调度器负责把 CPU 寄存器的值保存在 g 对象的成员变量之中。

当 goroutine 被调度起来运行时，调度器又负责把 g 对象的成员变量所保存的寄存器值恢复到 CPU 的寄存器。

M，它代表一个工作线程，或者说系统线程。G 需要调度到 M 上才能运行，M 是真正工作的人。结构体 m 就是我们常说的 M，它保存了 M 自身使用的栈信息、当前正在 M 上执行的 G 信息、与之绑定的 P 信息……
当 M 没有工作可做的时候，在它休眠前，会“自旋”地来找工作：检查全局队列，查看 network poller，试图执行 gc 任务，或者“偷”工作。

P，取 processor 的首字母，为 M 的执行提供“上下文”，保存 M 执行 G 时的一些资源，例如本地可运行 G 队列，memeory cache 等。
一个 M 只有绑定 P 才能执行 goroutine，当 M 被阻塞时，整个 P 会被传递给其他 M ，或者说整个 P 被接管。

G 需要在 M 上才能运行，M 依赖 P 提供的资源，P 则持有待运行的 G。

M 会从与它绑定的 P 的本地队列获取可运行的 G，也会从 network poller 里获取可运行的 G，还会从其他 P 偷 G。

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。

Goroutine调度器的GMP模型的设计思想

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。

GMP模型

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。

1. 全局队列（Global Queue）：存放等待运行的G。
2. 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。
3. 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。
4. 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。

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

• 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。
• 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，最大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。
  • 如果M有空闲、就会回收或睡眠

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

• 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。
• 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。
  • 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。
    • 如下图，GOMAXPROCS 设置为2，M1和P绑定，此时G1协程正在被执行，G2,G3正在等待工作中，此时M2这个线程是空闲的，M2如果要去执行一个协程的话，它的本地队列里没有g，就会从第一个P的本地队列里偷取一个G来执行
  • 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。
    • 如下图，M1 正在执行执行P里的G1，G1如果阻塞，M1 就会和P1就会分离，就会创建或者唤醒一个睡眠的M3，把P1迁移到M中去
• 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

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
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(main)，在之后M0就和其他的M一样了。
G0
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。

分析一段代码

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

1. runtime创建最初的线程m0和goroutine g0，并把2者关联。
2. 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。
3. 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。
4. 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。
5. G拥有栈，M根据G中的栈信息和调度信息设置运行环境
6. M运行G
7. 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。

GMP可视化调试

1. 创建trace文件（f,err := os.Create(“trace.out”)）
2. 启动trace文件（trace.Start(f)）
3. 停止trace文件（trace.Stop()）
4. go build 运行、会得到一个trace.out文件
5. go tool trace trace.out

Debug trace

package main
import (
    "fmt"
    "time"
)
func main() {
    for i := 0; i < 5; i++ {
        time.Sleep(time.Second)
        fmt.Println("Hello World")
    }
}

go build trace2.go

GODEBUG=schedtrace=1000 ./trace2

1000 是1000毫秒

SCHED 0ms: gomaxprocs=12 idleprocs=9 threads=5 spinningthreads=1 idlethreads=0 runqueue=0 [0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0]
Hello World
SCHED 1005ms: gomaxprocs=12 idleprocs=12 threads=5 spinningthreads=0 idlethreads=3 runqueue=0 [0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0]
Hello World
SCHED 2011ms: gomaxprocs=12 idleprocs=12 threads=5 spinningthreads=0 idlethreads=3 runqueue=0 [0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0]
Hello World
SCHED 3022ms: gomaxprocs=12 idleprocs=12 threads=5 spinningthreads=0 idlethreads=3 runqueue=0 [0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0]
Hello World
SCHED 4033ms: gomaxprocs=12 idleprocs=12 threads=5 spinningthreads=0 idlethreads=3 runqueue=0 [0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0]
Hello World

• SCHED：调试信息输出标志字符串，代表本行是goroutine调度器的输出；
• 0ms：即从程序启动到输出这行日志的时间；
• gomaxprocs: P的数量，本例有12个P, 因为默认的P的属性是和cpu核心数量默认一致，当然也可以通过GOMAXPROCS来设置；
• idleprocs: 处于idle状态的P的数量；通过gomaxprocs和idleprocs的差值，我们就可知道执行go代码的P的数量；
• threads: os threads/M的数量，包含scheduler使用的m数量，加上runtime自用的类似sysmon这样的thread的数量；
• spinningthreads: 处于自旋状态的os thread数量；
• idlethread: 处于idle状态的os thread的数量；
• runqueue=0： Scheduler全局队列中G的数量；
• [0 0]: 分别为12个P的local queue中的G的数量。

Go调度器调度场景过程全解析

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。

场景2

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。

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。

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。

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。

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,先从全局队列里去找，没有的话从其他p队列的拿），线程的销毁会浪费硬件资源的，不如去进行短期的自旋

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(global runq)/gomaxprocs + 1,len(local req)/2)

至少从全局队列取1个g，但每次不要从全局队列移动太多的g到p本地队列，给其他p留点。这是从全局队列到P本地队列的负载均衡。

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。

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。

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。

自旋线程 + 执行线程 <= GOMAXPROCS

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。

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。

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)。

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。

goroutine的状态

结构体 runtime.g 的 atomicstatus 字段存储了当前 Goroutine 的状态。除了几个已经不被使用的以及与 GC 相关的状态之外，Goroutine 可能处于以下 9 种状态：

https://draveness.me/golang/docs/part3-runtime/ch06-concurrency/golang-goroutine/
刘丹冰