GMP是Go语言运行时(runtime)层面的实现,是go语言自己实现的一套调度系统,区别于操作系统调度OS线程

Golang"调度器"的由来

单进程时代不需要调度器

我们知道,一切的软件都是跑在操作系统上,真正用来干活(计算)的是CPU,早期的操作系统每个程序就是一个进程,直到一个程序运行完,才能进行下一个进程,就是"单进程时代"

一切的程序只能串行发生.

早期的单进程操作系统,面临2个问题:

1. 单一的执行流程,计算机只能一个任务一个任务处理
2. 进程阻塞所带来的CPU时间浪费

那么能不能有多个进程宏观一起来执行多个任务呢?

后来操作系统就具有了最早的并发能力:多进程并发,当一个进程阻塞的时候,切换到另外等待执行的进程,这样就能尽量把CPU利用起来,CPU就不浪费了.

多进程/线程有了调度器需求

在多进程/多线程的操作系统中,就解决了阻塞的问题,因为一个进程阻塞CPU可以立刻切换到其他进程中去执行,而且调度CPU的算法可以保证在运行的进程都可以被分配到CPU的运行时间片.这样从宏观来看,似乎多个进程是在同时被运行

但是新的问题就又出现了,进程拥有太多的资源,进程的创建,切换,销毁,都会占用很长时间,CPU虽然利用起来了,但如果进程太多,CPU有很大一部分都被用来进行进程调度了.

怎么才能提高CPU的利用率呢?

对于Linux操作系统来讲,CPU对进程的态度和线程的态度是一样的.

很明显,CPU调度切换的是进程和线程.尽管线程看起来很美好,但实际上多线程开发设计会变得更加复杂,要考虑很多同步竞争等问题,如锁,竞争冲突等.

协程来提高CPU利用率

多进程,多线程已经提高了系统的并发能力,但是在当今互联网高并发场景下,为每个任务都创建一个线程是不现实的,因为会消耗大量的内存(进程虚拟内存会占用4GB[32位操作系统],而线程也要大约4MB).

大量的进程/线程出现了新的问题:

• 高内存占用
• 调度的高消耗CPU

好了,然后工程师们就发现,其实一个线程分为"内核态"线程和"用户态"线程.

一个"用户态线程"必须要绑定一个"内核态线程",但是CPU并不知道有"用户态线程的存在",它只知道它运行的是一个"内核态线程"(Linux的PCB进程控制块).

我们再去细化去分类一下,内核态线程依然叫"线程(thread)“,用户态线程叫"协程(co-routine)”

既然一个协程(co-routine)可以绑定一个线程(thread),那么能不能多个协程(co-routine)绑定一个或者多个线程(thread)上呢.

有三种协程和线程的映射关系:

1. N:1关系

   N个协程绑定1个线程,优点是协程再用户态线程即完成切换,不会陷入到内核态,这种切换非常的轻量快速.但是也有很大的缺点,1个进程的所有协程都绑定再1个线程上

   • 某个程序用不了硬件多核加速能力
   • 一旦某协程阻塞,造成线程阻塞,本进程的其他协程都无法执行了,根本就没有并发的能力了
     

2. 1:1关系

   1个协程绑定1个线程,这种最容易实现.协程的调度都有CPU完成了,不存在N:1的缺点,但是协程的创建,删除和切换的代价都有CPU完成,有点略显昂贵了
   

3. M:N关系

   M个协程绑定N个线程(一般情况下M>N),是N:1和1:1类型的结合,克服了以上2种模式的缺点,但实现起来最为复杂.
   

   协程跟线程是有区别的,线程由CPU调度是抢占式的,协程由用户态线程调度是协作式的,一个协程让出CPU后,才执行下一个协程.

Go语言的协程goroutine

Go为了提供更容易使用并发方法,使用了goroutine和channel.goroutine来自协程的概念,让一组可复用的函数运行在一组协程之上,即使有协程阻塞,该线程的其他协程也可以被runtime调度,转移到其他可运行的线程上.最关键的是,程序员看不到这些底层的细节,这就降低了编程的难度,提供了更容易的并发.

Go中,协程被称为goroutine,它非常轻量,一个goroutine只占几KB,并且这几KB就足够goroutine运行完,这就能在有限的内存空间内支持大量的goroutine,支持了更多的并发.虽然一个goroutine的栈只占几KB,但实际是可伸缩的,如果需要更多内容,runtime会自动为goroutine分配.

Goroutine特点

• 占用内存更小(几KB)
• 调度更灵活(runtime调度)

2012年前的调度器(弃用)

Go目前使用的调度器是2012年重新设计的,因为之前的调度器性能存在问题,所以使用4年就被废弃了,那么我们先来分析一下被废弃的调度器是如果运作的.

来看看被废弃的golang调度器是如何实现的?

M要想执行,放回G都必须访问全局G队列,并且M有多个,即多线程访问同一资源都需要加锁进行保证互斥/同步,所以全局G队列是有互斥锁进行保护的.

老调度器有几个缺点:

• 创建,销毁,调度G都需要每个M获取锁,这就形成了激烈的锁竞争.
• M转移G会造成延迟和额外的系统负载.比如当G中包含创建新协程的时候,M创建了G1,为了继续执行G,需要把G1交给M1执行,也造成了很差的局部性,因为G1和G是相关的,最好放在M上执行,而不是其他的M
• 系统调用(CPU在M之间的切换)导致频繁的线程阻塞和取消阻塞操作增加了系统开销

Goroutine调度器的GMP模型的设计思想

新的调度器中,除了M(thread)和G(goroutine),又引进了P(Processor)

Processor,它包含了运行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

GMP模型

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.

• 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G1时,G1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$GOMAXPROCS或者是由runtime的GOMAXPROCS函数决定.这意味着在程序执行时的任意时刻都只有$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

1. P何时创建:再确定了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合适创建: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

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:当本地线程无可运行的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

利用并行:GOMAXPROCS设置P的数量,最多由GOMAXPROCS个线程分布再多个CPU上同时运行.GOMAXPROCS也限制了并发的程度,比如:GOMAXPROCS=核数/2,则最多利用一半的CPU进行并行

抢占:再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CPU10ms,防止其他的goroutine被饿死,这就是goroutine不同于coroutine的一个地方.

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

从上图我们可以分析出几个结论:

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;
5. 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;
6. 当M系统调用结束后,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会变成休眠状态,放入到空闲线程中,然后这个G会被放入到全局队列中.

调度器的生命周期