深入理解 GMP 模型：Go 协程调度器的设计与调度场景全解析

深入理解 GMP 模型：Go 协程调度器的设计与调度场景全解析

引言

Go 语言之所以能轻松承载高并发，核心秘密在于它独特的协程调度器。理解 GMP 模型，是读懂 Go 并发、排查性能问题、回答面试高频题的关键。本文从设计思想讲起，再逐场景拆解调度器的运行过程，配图配合源码，帮你把 GMP 彻底讲透。

一、GMP 模型的设计思想

1、GMP 模型

GMP 分别代表：

• G：goroutine，Go 协程，是参与调度与执行的最小单位
• M：machine，系统级线程
• P：processor，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

在 Go 中，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。

几个核心概念：

• 全局队列（Global Queue）：存放等待运行的 G。全局队列可能被任意的 P 去获取里面的 G，所以全局队列相当于整个模型中的全局资源，那么自然对于队列的读写操作是要加入互斥动作的
• 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
• 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
• M：线程想运行任务就要获取 P，从 P 的本地队列获取 G，当 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 都代表了一个内核线程，OS 调度器负责把内核线程分配到 CPU 的核上执行。

2、P 和 M 的个数问题

1）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。

2）M 的数量由 Go 语言本身的限制决定，Go 程序启动时会设置 M 的最大数量，默认 10000 个，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() 函数可设置 M 的最大数量，当一个 M 阻塞了时会创建新的 M。

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。

3、P 和 M 何时会被创建

1）P 创建的时机在确定了 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。

2）M 创建的时机是在当没有足够的 M 来关联 P 并运行其中可运行的 G 的时候。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，如果此时没有空闲的 M，就会去创建新的 M。

4、调度器的设计策略

策略一：复用线程

避免频繁的创建、销毁线程，而是复用线程。

1）偷取（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。

2）移交（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。

策略二：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。

策略三：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。

策略四：全局 G 队列

当 P 的本地队列为空时，优先从全局 G 队列获取，如果全局队列为空时则通过 work stealing 机制从其他 P 的本地队列偷取 G。

5、go func() 调度流程

从上图可以分析出几个结论：

• 通过 go func() 来创建一个 goroutine 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
• 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，就会从其他的 M/P 组合偷取一个可执行的 G 来执行
• 一个 M 调度 G 执行的过程是一个循环机制
• 当 M 执行某一个 G 时候，如果发生了 syscall 或其余阻塞操作，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，然后再创建一个新的操作系统线程（如果有空闲的线程可用就复用空闲线程）来服务这个 P
• 当 M 系统调用结束的时候，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

6、调度器的生命周期

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，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 goroutine，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。

package main

import "fmt"

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

针对上面的代码对调度器里面的结构做一个分析：

1. runtime 创建最初的 M0 和 goroutine G0，并把两者关联
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 main 函数是 main.main，runtime 中也有一个 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。

二、Go 调度器调度场景过程全解析

1、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。

2、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。

3、场景 3

假设每个 P 的本地队列只能存 3 个 G。G2 要创建 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。

4、场景 4

G2 在创建 G7 的时候，发现 P1 的本地队列已满，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。

5、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 的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。

6、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）。

7、场景 7

M2 尝试从全局队列取一批 G 放到 P2 的本地队列（函数：findrunnable()）。M2 从全局队列取的 G 数量符合公式：n = min(len(GQ) / GOMAXPROCS + 1, cap(LQ) / 2)。

相关源码参考：

// 从全局队列中偷取,调用时必须锁住调度器
func globrunqget(_p_ *p, max int32) *g {
	// 如果全局队列中没有g直接返回
	if sched.runqsize == 0 {
		return nil
	}

	// per-P的部分,如果只有一个P的全部取
	n := sched.runqsize/gomaxprocs + 1
	if n > sched.runqsize {
		n = sched.runqsize
	}

	// 不能超过取的最大个数
	if max > 0 && n > max {
		n = max
	}

	// 计算能不能在本地队列中放下n个
	if n > int32(len(_p_.runq))/2 {
		n = int32(len(_p_.runq)) / 2
	}

	// 修改本地队列的剩余空间
	sched.runqsize -= n
	// 拿到全局队列队头g
	gp := sched.runq.pop()
	// 计数
	n--

	// 继续取剩下的n-1个全局队列放入本地队列
	for ; n > 0; n-- {
		gp1 := sched.runq.pop()
		runqput(_p_, gp1, false)
	}
	return gp
}

至少从全局队列取一个 G，但每次不要从全局队列移动太多的 G 到 P 的本地队列，给其他 P 留一点。

假定场景中一共有 4 个 P（GOMAXPROCS 设置为 4，那么允许最多就能用 4 个 P 来供 M 使用）。所以 M2 只能从全局队列取 1 个 G（即 G3）放到 P2 本地队列，然后完成从 G0 到 G3 的切换，运行 G3。

8、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。

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 那里偷取一半 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，本例中一半则只有一个 G8，放到 P2 的本地队列并执行。

9、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。

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，来解决 CPU 资源？因为创建和销毁 CPU 也会浪费时间，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它们休眠。

10、场景 10

假定当前除了 M3 和 M4 为自旋线程，还有 M5 和 M6 为空闲线程（没有得到 P 的绑定，注意这里最多就只能存在 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 队列，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。

11、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）。

总结

GMP 模型的本质，是把"用户态的 goroutine"与"内核态的线程"解耦，通过 P 这个中间层完成两者的配对。理解 GMP，重点记住几条主线：

• G 是协程，M 是线程，P 是 M 运行 G 所需的资源池，一个 M 必须持有 P 才能运行 G
• P 的本地队列存新 G，满了溢到全局队列；本地队列空时从全局队列或偷取其他 P 的 G
• 线程复用靠 work stealing 和 hand off 两种机制
• 抢占机制保证单个 goroutine 最多占用 CPU 10ms，避免饿死
• 系统调用会触发 M 与 P 解绑，用移交或新建 M 来维持吞吐

读懂了这些场景，Go 并发调度的骨架就立起来了。面试中被问到 GMP，能把设计策略、调度流程和生命周期讲清楚，就是一次高质量的回答。