Golang協程調度的詳細分析

這篇文章將為大家詳細講解有關Golang協程調度的詳細分析，小編覺得挺實用的，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個內核空間線程上運行。優勢是上下文切換非?？斓菬o法利用多核系統的優點。
• 1:1模型，1個內核空間線程運行一個用戶空間線程。這種充分利用了多核系統的優勢但是上下文切換非常慢，因為每一次調度都會在用戶態和內核態之間切換。（POSIX線程模型(pthread)，Java）
• M:N模型， 每個用戶線程對應多個內核空間線程，同時也可以一個內核空間線程對應多個用戶空間線程。Go打算采用這種模型，使用任意個內核模型管理任意個goroutine。這樣結合了以上兩種模型的優點，但缺點就是調度的復雜性。

下面看看golang的協程調度

• M：一個用戶空間線程，同時對應一個內核線程，類似posix pthread
• P：代表運行的上下文環境, 也就是我們上一節實現的調度器，一個調度器也會對應一個就緒隊列
• G：goroutine，即協程

二、調度模型簡介

groutine能擁有強大的并發實現是通過GPM調度模型實現，下面就來解釋下goroutine的調度模型。

Go的調度器內部有三個重要的結構：M，P，G
M：M是對內核級線程的封裝，數量對應真實的CPU數，一個M就是一個線程，goroutine就是跑在M之上的；M是一個很大的結構，里面維護小對象內存cache（mcache）、當前執行的goroutine、隨機數發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），用于調度。
P：P全稱是Processor，處理器，它的主要用途就是用來執行goroutine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建的Goroutine對象。

Golang采用的是多線程模型，更詳細的說他是一個兩級線程模型，但它對系統線程（內核級線程）進行了封裝，暴露了一個輕量級的協程goroutine（用戶級線程）供用戶使用，而用戶級線程到內核級線程的調度由golang的runtime負責，調度邏輯對外透明。goroutine的優勢在于上下文切換在完全用戶態進行，無需像線程一樣頻繁在用戶態與內核態之間切換，節約了資源消耗。

調度實現

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行的goroutine。
P的數量可以通過GOMAXPROCS()來設置，它其實也就代表了真正的并發度，即有多少個goroutine可以同時運行。
圖中灰色的那些goroutine并沒有運行，而是出于ready的就緒態，正在等待被調度。P維護著這個隊列（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語句被執行，runqueue隊列就在其末尾加入一個
goroutine，在下一個調度點，就從runqueue中取出（如何決定取哪個goroutine？）一個goroutine執行。

當一個OS線程M0陷入阻塞時（如下圖)，P轉而在運行M1，圖中的M1可能是正被創建，或者從線程緩存中取出。

當MO返回時，它必須嘗試取得一個P來運行goroutine，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并運行其中的goroutine，否則global runqueue上的goroutine永遠無法執行。

另一種情況是P所分配的任務G很快就執行完了（分配不均），這就導致了這個處理器P很忙，但是其他的P還有任務，此時如果global runqueue沒有任務G了，那么P不得不從其他的P里拿一些G來執行。一般來說，如果P從其他的P那里要拿任務的話，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創建相關問題

M和P的數量如何確定？或者說何時會創建M和P？

1、P的數量：

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

2、M的數量:

• go語言本身的限制：go程序啟動時，會設置M的最大數量，默認10000.但是內核很難支持這么多的線程數，所以這個限制可以忽略。
• runtime/debug中的SetMaxThreads函數，設置M的最大數量
• 一個M阻塞了，會創建新的M。

M與P的數量沒有絕對關系，一個M阻塞，P就會去創建或者切換另一個M，所以，即使P的默認數量是1，也有可能會創建很多個M出來。

3、P何時創建：在確定了P的最大數量n后，運行時系統會根據這個數量創建n個P。

4、M何時創建：沒有足夠的M來關聯P并運行其中的可運行的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，就會去尋找空閑的M，而沒有空閑的，就會去創建新的M。

M選擇哪一個P關聯？

• M會選擇導致此M被創建的那個P關聯。

什么時候會切換P與M的關聯關系？

當M因系統調用而阻塞時（M上運行的G進入了系統調用的時候），M與P會分開，如果此時P的就緒隊列中還有任務，
P就會去關聯一個空閑的M，或者創建一個M進行關聯。（也就是說go不是像libtask一樣處理IO阻塞的？不確定。）

就緒的G如何選擇進入哪個P的就緒隊列？

• 默認情況下：因為P的默認數量是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語句創建多少個goroutine，它們都只會被塞入同一個P的就緒隊列中。
• 有多個P的情況下：如果修改了GOMAXPROCS或者調用了runtime.GOMAXPROCS，運行時系統會把所有的G均勻的分布在各個P的就緒隊列中。

如何保證每個P的就緒隊列中都會有G

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

關于Golang協程調度的詳細分析就分享到這里了，希望以上內容可以對大家有一定的幫助，可以學到更多知識。如果覺得文章不錯，可以把它分享出去讓更多的人看到。