浅谈golang GMP模型

GMP模型

在学习GMP模型过程中，看了网上许多GMP模型相关的文章，要么缺少背景的介绍、要么陷入无限的细节中，让我们初学者很难建立整体的认识，很难将这块知识串起来，当然就会看的云里雾里。

本文希望帮助初学者建立知识整体脉络，让大家在宏观上能有一个全局的认识，希望对大家有所帮助。

这块内容参考了刘丹冰老师的文章,在B站也对应的视频，讲的非常详细，在此感谢刘老师的无私奉献。

当然本文除了参考上面文章外，也添加了许多其它的认识，您可以把本文当作一个学习向导，好啦，让我们开始吧！

1. 已经有了进程、线程为啥还需协程？

我们知道在计算中有进程和线程,我们先简单回顾下：

• 进程：

  1. 它是一个程序运行的实例
  2. 有独立的内存空间和系统资源
  3. 可以简单理解为它是线程的容器，内部有多个线程

• 线程:

  1. 它是是进程的实例
  2. 共享进程中的内存空间和系统资源
  3. 操作系统运算调度的最小单元

我们可以这样简单的理解，进程先向操作系统申请一块资源，线程利用这些资源执行，线程的执行是通过操作系统cpu上调度运行的。因此在操作系统中，真正执行程序的实际是线程；

在早期的编程语言中，我们想实现程序的并发能力，沿用操作系统的进程、线程方式，主要采用多线程实现，但是随着时间的推移，我们慢慢发现了多线程的许多弊端：

1. 内存占用高（一个线程大概几M）
2. 切换成本高（内核态下切换）

因此，后来的编程语言设计者希望采用一种轻量、切换成本低的方式来实现并发 ，但是在操作系统下的进程、线程模型已经没有什么文章可以做了；因此他们想到了既然内核态下不能做什么文章，那么在用户态下，我们能不能实现一种类似线程、但又不同于线程、非常轻量、可以并发或者并行，由编程语言自己管理的东东呢？

对滴，它就是协程（coroutine） 因此许多编程语言都实现了自己的协程，只是在叫法上存在差异，有的语言中又叫做纤程，在go中叫goroutine。

在go中由于一个goroutine非常小只有几KB,因此我们可以轻而易举的创建上万个协程。

2. 协程调度器

协程本质上还是在操作系统线程执行的，对操作系统而言，它只知道有进程和线程，并不清楚有协程。

协程的管理由编程语言自己实现，这里就牵扯到一个问题------该如何管理这些协程？协程和线程之间是如何关联起来的等等？

这就引入了一个概念 ------ 协程调度器。

一门编程语言它的协程设计的好好不好，比拼的其实就是调度器设计好不好。当然go也不例外，也需要设计实现自己的调度器。

3. 第一阶段GM模型

go的调度器设计，主要有两个阶段，在第一阶段是没有P （它在第二阶段，下面会说），只有GM：

• G: 指的是Goroutine(协程)
• M: 指的的是线程

第一阶段比较简陋,大概这样: 每个M（线程）,都去全局队列中取G来执行，为了保证同一个G只能被一个M取走，每次都需要对全局队列加锁。

缺点： 是获取锁竞争非常大，性能不好。

4. 第二阶段模型-GMP

为了解决第一阶段锁竞争大的问题，引入了P(processor处理器)，每个P都会有一个存放了G的本地队列,可以从本地队列直接获取G，而不用加锁。

4.1 整体认识

在这一阶段GMP也凑齐啦，这里涉及到许多细节，如果分开一个个去看非常容易陷入到只见树木不见森林的境地；

其实我们只需要能理解go func()从创建到执行的整个流程，建立起整体框架认识，后面理解具体的细节就会轻松很多，我们一起来看下面的图吧。

下面简述下：

1. go func()创建一个G（goroutine）
2. G队列
   • 如果本地队列未慢，则优先加入到本地队列
   • 如果本地队列已满，则将他加入到全局队列
3. M需要获取G来执行
   • 如果P的本地队列中有，则从本地队列获取
   • 如果P的本地对立中没有，则从全局对立中获取
   • 如果全局队列中也没有，则从其它P中偷取(work stealing)
4. 调度执行
   • 如果正常执行完，则销毁G，开启下一轮的M获取G，依次循环
   • 如果执行过程中发生系统调用/阻塞，则当前M和P解除绑定（hand off）机制，让出P；P会寻找是否有休眠中的M，如果有，则与之绑定，如果没有则创建一个M与之绑定

补充知识点：

• 一个M要执行必须先获取到P
• 从上图我们可以轻易的分析出G和M之间的关系是M:N
• P的个数可以通过GOMAXPROCES设置，默认情况下为cpu核心数

4.2 调度器生命周期

前面我们看了GMP模型的流转过程，但是忽略整个过程中两个特殊的对象M0和G0

• M0: go进程创建的第一个线程，全局唯一
• G0: 每创建一个M都会创建一个G0,它的作用主要在于在M上调度goroutinue,用户goroutine的切换需要通过G0来操作

假设我们运行一段main.go整个过程是怎样的呢？

1. 程序创建第一个线程M0
2. 由于每个M都需要创建一个G0，因此这个时候会创建一个M0的G0
3. 创建main.main的goroutine，加入本地队列
4. M0和P绑定，从本地中获取到G(main的goroutine)
5. 执行main的goroutine

图示大概为：

4.3 一些场景

在GMP中存在许多细化场景的分析，由于场景太多这里就不一一列举了，敢兴趣可以到B站这里来看具体某个场景下的处理流程。

5. 总结

GMP模式是一种经过go设计者不断优化而形成的一种合理方案，在go中我们可以认为只有协程，没有线程。因为我们从main的启动来看，启动的其实也是一个goroutine；

go能实现很高并发的原因在于，通过GMP模型可以只利用很少的线程（复用线程），在不切换线程的情况下可以非常容易的切换/运行大量goroutine）。