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待到风起时,扬帆济沧海

Go-GMP模型

https://learnku.com/articles/41728

GMP 模型

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G= Goroutine 协程,P=Processor 处理器, M=Thread 线程

  • 全局队列(Global Queue):存放等待运行的 G。
  • 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

  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:
    • go 语言本身的限制:go 程序启动时,会设置 M 的最大数量,默认 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。

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

  1. 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。
    • 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。
  2. 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。

  3. 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

  4. 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

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  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;
  3. 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;
  4. 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

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特殊的 M0 和 G0

  • 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。
  • GO 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。

可视化 GMP 编程

  1. 方式 1:go tool trace
  2. 方式 2:Debug trace

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