揭秘系列: Goroutine调度器

现在不要担心理解上面的图片，因为我们将从非常基础的知识开始。

Goroutines分布在线程中，由Goroutine调度器在幕后处理。根据我们之前的讨论，我们知道一些关于Goroutines的事情：

•从原始执行速度来看，Goroutines不一定比线程更快，因为它们需要一个实际的线程来运行。•Goroutines的真正优势在于上下文切换、内存占用、创建和拆除的成本等方面。

你可能之前听说过Goroutine调度器，但我们真正了解它是如何工作的吗？它是如何将Goroutines与线程配对的？

现在让我们一步一步地分解调度器的操作。

1. Goroutine的M:N调度器

Go团队为我们真正简化了并发处理，想想看：创建一个Goroutine就像在函数前面加上 go 关键字一样容易。

go doWork()

但在这个简单的步骤背后，有一个更深层的系统在运作。

从一开始，Go并不是简单地提供了线程。相反，在中间有一个辅助工具，Goroutine调度器，它是Go运行时的关键部分。

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那么什么是M:N标签？

它表示Go调度器在将M个Goroutines映射到N个内核线程时所起的作用，形成了M:N模型。你可以拥有更多的操作系统线程，就像可以拥有更多的Goroutines一样。

在我们深入研究调度器之前，让我们澄清一下经常混淆的两个术语：并发和并行。

•并发 ：这是关于同时处理多个任务，它们都在运动，但不总是在同一时刻。•并行：这意味着许多任务在完全相同的时间运行，通常使用多个CPU核心。

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让我们看看Go调度器是如何与线程配合运作的。

2. PMG 模型

在我们深入研究内部工作原理之前，让我们分解一下P、M和G代表什么。

G（Goroutine）

Goroutine充当Go的最小执行单元，类似于轻量级线程。

在Go的运行时中，它由一个名为g的struct{}表示。一旦创建，它会找到一个逻辑处理器P的本地可运行队列（或G队列）中的位置，然后P将其交给一个实际的内核线程M。

Goroutines通常存在三种主要状态：

•等待 ：在这个阶段，Goroutine停滞不前，可能因为通道或锁之类的操作而暂停，或者可能被系统调用暂停。•可运行 ：Goroutine已经准备好运行，但尚未开始运行，它正在等待轮到它在一个线程（M）上运行。•运行：现在，Goroutine正在一个线程（M）上积极执行。它会一直执行，直到任务完成，除非调度器中断它或其他原因阻止了它的执行。

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Goroutines并不仅仅被使用一次然后被丢弃。

相反，当启动新的Goroutine时，Go的运行时会从Goroutine池

中选择一个，但如果找不到任何可用的Goroutine，它会创建一个新的。然后，这个新的Goroutine加入到一个P的可运行队列中。

P（逻辑处理器）

在Go调度器中，当我们提到"处理器"时，我们指的是逻辑实体，而不是物理实体。

默认情况下，P的数量设置为可用的核心数，你可以使用runtime.GOMAXPROCS(int)函数来检查或更改这些处理器的数量。

runtime.GOMAXPROCS(0) // 获取当前允许的逻辑处理器数量

如果你想更改这个数量，最好是在应用程序启动时更改它，如果在运行时更改，它会导致STW（停止一切），直到重新调整处理器。

每个P都拥有自己的可运行Goroutines列表，称为本地运行队列，最多可以容纳256个Goroutines。

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调度器 --- P（逻辑处理器）

如果P的队列达到了最大Coroutines数（256），那么就有一个共享队列，称为全局运行队列，但我们将稍后讨论这个。

"那么 'P' 的这个数量到底代表什么？" 它表示可以同时运行的Goroutines数量 --- 想象它们并行运行。

M（机器线程 --- 操作系统线程）

一个典型的Go程序最多可以使用1万个线程。

是的，我说的是线程，而不是Goroutines。如果超出这个限制，你可能会使你的Go应用程序崩溃。

"什么情况下会创建一个线程？" 想象一种情况：一个Goroutine处于可运行状态并需要一个线程。如果所有线程已经被阻塞，可能是因为系统调用或非抢占操作，会怎么样？在这种情况下，调度器会介入并为该Goroutine创建一个新线程。一个需要注意的事情是，如果一个线程只是忙于昂贵的计算或长时间运行的任务，它不被视为被卡住或被阻塞。如果你想更改默认线程限制，你可以使用 runtime/debug.SetMaxThreads() 函数，它允许你设置你的Go程序可以使用的操作系统线程的最大数量。此外，值得知道的是，线程是可以重复使用的，因为创建或销毁线程是消耗资源的。

3. MPG 工作原理

让我们通过项目符号逐步了解 M、P 和 G 如何一起运作。

我不会在这里深入讨论每个细节，但我将在即将发布的故事中深入探讨。如果你感兴趣，请订阅。

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Go Scheduler 的工作原理

1.初始化 goroutine ：通过使用 go func() 命令，Go Runtime 要么创建一个新的 goroutine，要么从池中选择一个现有的。2.排队位置 ：goroutine 寻找其在队列中的位置，如果所有逻辑处理器（P）的本地队列都满了，那么这个 goroutine 就被放入全局队列。3.线程配对 ：这是 M 开始发挥作用的地方。它获取一个 P 并开始处理来自 P 本地队列的 goroutine，当 M 与这个 goroutine 交互时，与之关联的 P 就变得占用，不再可用于其他 M。4.窃取行为 ：如果某个 P 的队列被耗尽，M 会尝试"借用"另一个 P 队列中一半可运行的 goroutine。如果不成功，它然后检查全局队列，然后再检查网络轮询器（请查看下面的"窃取过程"图表部分）。5.资源分配 ：M 选择了一个 goroutine（G）之后，它会获取运行 G 所需的所有资源。

"那么被阻塞的线程呢？" 如果一个 goroutine 启动了需要时间的系统调用（比如读取文件），那么 M 会等待。但调度程序不喜欢某个只是坐在那里等待的线程，它会将被暂停的 M 与其 P 解除连接，并将来自队列的另一个可运行的 goroutine 与新的或现有的 M 连接起来，然后与 P 协作。

被阻塞的线程

窃取过程

当一个线程（M）完成了它的任务并没有其他事情可做时，它不会坐在那里。

相反，它积极地寻找更多工作，观察其他处理器并获取它们一半的任务，让我们来详细了解一下：

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1.每 61 个时钟滴答，M 检查全局可运行队列，以确保执行的公平性。如果在全局队列中找到一个可运行的 goroutine，就停止。2.然后，线程 M 检查其本地运行队列，与其处理器 P 相关联，以查看是否有可运行的 goroutine 可以处理。3.如果线程发现它的队列是空的，那么它会查看全局队列，看看那里是否有等待处理的任务。4.然后，线程会检查网络轮询器，以查看是否有与网络相关的任务。5.如果线程在检查了网络轮询器后仍然没有找到任务，它将进入主动搜索模式，我们可以将其视为旋转状态。6.在这种状态下，线程试图从其他处理器的队列中"借用"任务。7.经过所有这些步骤后，如果线程仍然找不到工作，它将停止主动搜索。8.现在，如果有新的任务进来，而且有一个没有在搜索状态的空闲处理器，那么可以提示另一个线程开始工作。

需要注意的细节是全局队列实际上被检查了两次：每 61 个时钟滴答一次以确保公平性，如果本地队列为空，就再次检查。

"如果 M 与其 P 相关联，它怎么能从其他处理器那里获取任务呢？M 会更改其 P 吗？" 答案是不会。即使 M 从另一个 P 的队列中获取任务，它仍然使用其原始处理器来运行该任务。因此，在 M 承担新任务的同时，它仍然忠实于其处理器。
"为什么是 61？" 在设计算法时，特别是哈希算法，通常会选择质数，因为它们除了 1 和它们自己之外没有除数。这可以降低出现模式或规律的机会，从而防止"碰撞"或其他不希望出现的行为。如果太短，系统可能会浪费资源频繁检查全局运行队列。如果太长，goroutine 可能会在执行之前等待过长的时间。

网络轮询器

我们还没有详细讨论网络轮询器，但它在窃取过程图表中提到了。

与 Go Scheduler 一样，网络轮询器是 Go Runtime 的组成部分，负责处理与网络相关的调用（例如，网络 I/O）。

让我们比较两种系统调用类型：

•与网络相关的系统调用：当一个 goroutine 执行网络 I/O 操作时，它不会阻塞线程，而是会在网络轮询器中注册。轮询器会异步等待操作完成，一旦完成，goroutine 就会再次可运行，可以在一个线程上继续执行。•其他系统调用：如果它们可能会阻塞并且不由网络轮询器处理，它们可能会导致 goroutine 将其执行卸载到操作系统线程上。只有特定的操作系统线程会被阻塞，Go 运行时调度程序可以在不同线程上执行其他 goroutine。\