【golang詳解】go語言GMP(GPM)原理和調度

Goroutine調度是一個很復雜的機制，下面嘗試用簡單的語言描述一下Goroutine調度機制，想要對其有更深入的了解可以去研讀一下源碼。

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首先介紹一下GMP什么意思：

G ----------- goroutine: 即Go協程，每個go關鍵字都會創建一個協程。

M ---------- thread內核級線程，所有的G都要放在M上才能運行。

P ----------- processor處理器，調度G到M上，其維護了一個隊列，存儲了所有需要它來調度的G。

Goroutine 調度器P和 OS 調度器是通過 M 結合起來的，每個 M 都代表了 1 個內核線程，OS 調度器負責把內核線程分配到 CPU 的核上執行

模型圖：

避免頻繁的創建、銷毀線程，而是對線程的復用。

1）work stealing機制

當本線程無可運行的G時，嘗試從其他線程綁定的P偷取G，而不是銷毀線程。

2）hand off機制

當本線程M0因為G0進行系統調用阻塞時，線程釋放綁定的P，把P轉移給其他空閑的線程執行。進而某個空閑的M1獲取P，繼續執行P隊列中剩下的G。而M0由于陷入系統調用而進被阻塞，M1接替M0的工作，只要P不空閑，就可以保證充分利用CPU。M1的來源有可能是M的緩存池，也可能是新建的。當G0系統調用結束后，根據M0是否能獲取到P，將會將G0做不同的處理：

如果有空閑的P，則獲取一個P，繼續執行G0。

如果沒有空閑的P，則將G0放入全局隊列，等待被其他的P調度。然后M0將進入緩存池睡眠。

如下圖

GOMAXPROCS設置P的數量，最多有GOMAXPROCS個線程分布在多個CPU上同時運行

在Go中一個goroutine最多占用CPU 10ms，防止其他goroutine被餓死。

具體可以去看另一篇文章

【Golang詳解】go語言調度機制 搶占式調度

當創建一個新的G之后優先加入本地隊列，如果本地隊列滿了，會將本地隊列的G移動到全局隊列里面，當M執行work stealing從其他P偷不到G時，它可以從全局G隊列獲取G。

協程經歷過程

我們創建一個協程 go func()經歷過程如下圖：

說明：

這里有兩個存儲G的隊列，一個是局部調度器P的本地隊列、一個是全局G隊列。新創建的G會先保存在P的本地隊列中，如果P的本地隊列已經滿了就會保存在全局的隊列中；處理器本地隊列是一個使用數組構成的環形鏈表，它最多可以存儲 256 個待執行任務。

G只能運行在M中，一個M必須持有一個P，M與P是1：1的關系。M會從P的本地隊列彈出一個可執行狀態的G來執行，如果P的本地隊列為空，就會想其他的MP組合偷取一個可執行的G來執行；

一個M調度G執行的過程是一個循環機制；會一直從本地隊列或全局隊列中獲取G

上面說到P的個數默認等于CPU核數，每個M必須持有一個P才可以執行G，一般情況下M的個數會略大于P的個數，這多出來的M將會在G產生系統調用時發揮作用。類似線程池，Go也提供一個M的池子，需要時從池子中獲取，用完放回池子，不夠用時就再創建一個。

work-stealing調度算法：當M執行完了當前P的本地隊列隊列里的所有G后，P也不會就這么在那躺尸啥都不干，它會先嘗試從全局隊列隊列尋找G來執行，如果全局隊列為空，它會隨機挑選另外一個P，從它的隊列里中拿走一半的G到自己的隊列中執行。

如果一切正常，調度器會以上述的那種方式順暢地運行，但這個世界沒這么美好，總有意外發生，以下分析goroutine在兩種例外情況下的行為。

Go runtime會在下面的goroutine被阻塞的情況下運行另外一個goroutine：

用戶態阻塞/喚醒

當goroutine因為channel操作或者network I/O而阻塞時（實際上golang已經用netpoller實現了goroutine網絡I/O阻塞不會導致M被阻塞，僅阻塞G，這里僅僅是舉個栗子），對應的G會被放置到某個wait隊列(如channel的waitq)，該G的狀態由_Gruning變為_Gwaitting，而M會跳過該G嘗試獲取并執行下一個G，如果此時沒有可運行的G供M運行，那么M將解綁P，并進入sleep狀態；當阻塞的G被另一端的G2喚醒時（比如channel的可讀/寫通知），G被標記為，嘗試加入G2所在P的runnext（runnext是線程下一個需要執行的 Goroutine。）， 然后再是P的本地隊列和全局隊列。

系統調用阻塞

當M執行某一個G時候如果發生了阻塞操作，M會阻塞，如果當前有一些G在執行，調度器會把這個線程M從P中摘除，然后再創建一個新的操作系統的線程(如果有空閑的線程可用就復用空閑線程)來服務于這個P。當M系統調用結束時候，這個G會嘗試獲取一個空閑的P執行，并放入到這個P的本地隊列。如果獲取不到P，那么這個線程M變成休眠狀態， 加入到空閑線程中，然后這個G會被放入全局隊列中。

隊列輪轉

可見每個P維護著一個包含G的隊列，不考慮G進入系統調用或IO操作的情況下，P周期性的將G調度到M中執行，執行一小段時間，將上下文保存下來，然后將G放到隊列尾部，然后從隊列中重新取出一個G進行調度。

除了每個P維護的G隊列以外，還有一個全局的隊列，每個P會周期性地查看全局隊列中是否有G待運行并將其調度到M中執行，全局隊列中G的來源，主要有從系統調用中恢復的G。之所以P會周期性地查看全局隊列，也是為了防止全局隊列中的G被餓死。

除了每個P維護的G隊列以外，還有一個全局的隊列，每個P會周期性地查看全局隊列中是否有G待運行并將其調度到M中執行，全局隊列中G的來源，主要有從系統調用中恢復的G。之所以P會周期性地查看全局隊列，也是為了防止全局隊列中的G被餓死。

M0

M0是啟動程序后的編號為0的主線程，這個M對應的實例會在全局變量rutime.m0中，不需要在heap上分配，M0負責執行初始化操作和啟動第一個G，在之后M0就和其他的M一樣了

G0

G0是每次啟動一個M都會第一個創建的goroutine，G0僅用于負責調度G，G0不指向任何可執行的函數，每個M都會有一個自己的G0，在調度或系統調用時會使用G0的棧空間，全局變量的G0是M0的G0

一個G由于調度被中斷，此后如何恢復？

中斷的時候將寄存器里的棧信息，保存到自己的G對象里面。當再次輪到自己執行時，將自己保存的棧信息復制到寄存器里面，這樣就接著上次之后運行了。

我這里只是根據自己的理解進行了簡單的介紹，想要詳細了解有關GMP的底層原理可以去看Go調度器 G-P-M 模型的設計者的文檔或直接看源碼

參考： ()

()

Go語言”奇怪用法“有哪些

1，go的變量聲明順序是：”先寫變量名，再寫類型名“，此與C/C++的語法孰優孰劣，可見下文解釋：

2，go是通過package來組織的（與python類似），只有package名為main的包可以包含main函數，一個可執行程序有且僅有一個main包，通過import關鍵字來導入其他非main包。

3，可見性規則。go語言中，使用大小寫來決定該常量、變量、類型、接口、結構或函數是否可以被外部包含調用。根據約定，函數名首字母小寫即為private，函數名首字母大寫即為public。

4，go內置關鍵字（25個均為小寫）。

5，函數不用先聲明，即可使用。

6，在函數內部可以通過 := 隱士定義變量。（函數外必須顯示使用var定義變量）

7，go程序使用UTF-8編碼的純Unicode文本編寫。

8，使用big.Int的陷阱：

9，從技術層面講，go語言的語句是以分號分隔的，但這些是由編譯器自動添加的，不用手動輸入，除非需要在同一行中寫入多個語句。沒有分號及只需少量的逗號和圓括號，使得go語言的程序更容易閱讀。

10，go語言只有一個循環結構——for循環。

11，go里的自增運算符只有——“后++”

12，go語言中的slice用法類似python中數組，關于slice的詳細用法可見：

13，函數也是一個值，使用匿名函數返回一個值。

14，函數閉包的使用，閉包是一個匿名函數值，會引用到其外部的變量。

go語言語法(基礎語法篇)

import "workname/packetfolder"

導入多個包

方法調用 包名.函數//不是函數或結構體所處文件或文件夾名

packagename.Func()

前面加個點表示省略調用，那么調用該模塊里面的函數，可以不用寫模塊名稱了:

當導入一個包時，該包下的文件里所有init()函數都會被執行，然而，有些時候我們并不需要把整個包都導入進來，僅僅是是希望它執行init()函數而已。下劃線的作用僅僅是為了調用init()函數，所以無法通過包名來調用包中的其他函數

import _ package

變量聲明必須要使用否則會報錯。

全局變量運行聲明但不使用。

func 函數名 (參數1，參數2，...) (返回值a 類型a, 返回值b 類型b，...)

func 函數名 (參數1，參數2，...) (返回值類型1, 返回值類型2，...)

func (this *結構體名) 函數名(參數 string) (返回值類型1, 返回值類型2){}

使用大小來區分函數可見性

大寫是public類型

小寫是private類型

func prifunc int{}

func pubfunc int{}

聲明靜態變量

const value int

定義變量

var value int

聲明一般類型、接口和結構體

聲明函數

func function () int{}

go里面所有的空值對應如下

通道類型

內建函數 new 用來分配內存，它的第一個參數是一個類型，不是一個值，它的返回值是一個指向新分配類型零值的指針

func new(Type) *Type

[這位博主有非常詳細的分析]

Go 語言支持并發，我們只需要通過 go 關鍵字來開啟 goroutine 即可。

goroutine 是輕量級線程，goroutine 的調度是由 Golang 運行時進行管理的。

同一個程序中的所有 goroutine 共享同一個地址空間。

語法格式如下:

通道（channel）是用來傳遞數據的一個數據結構。

通道的聲明

通道可用于兩個 goroutine 之間通過傳遞一個指定類型的值來同步運行和通訊。操作符 - 用于指定通道的方向，發送或接收。如果未指定方向，則為雙向通道。

[這里有比較詳細的用例]

go里面的空接口可以指代任何類型(無論是變量還是函數)

聲明空接口

go里面的的強制類型轉換語法為:

int(data)

如果是接口類型的強制轉成其他類型的語法為:

go里面的強制轉換是將值復制過去,所以在數據量的時候有比較高的運行代價

線程間通信有哪些方式

線程間通信方式有：

1、volatile

volatile有兩大特性，一是可見性，二是有序性，禁止指令重排序，其中可見性就是可以讓線程之間進行通信。volatile語義保證線程可見性有兩個原則保證：

（1）所有volatile修飾的變量一旦被某個線程更改，必須立即刷新到主內存。

（2）所有volatile修飾的變量在使用之前必須重新讀取主內存的值。

2、等待/通知機制

等待通知機制是基于wait和notify方法來實現的，在一個線程內調用該線程鎖對象的wait方法，線程將進入等待隊列進行等待直到被通知或者被喚醒。

3、join方式

join其實合理理解成是線程合并，當在一個線程調用另一個線程的join方法時，當前線程阻塞等待被調用join方法的線程執行完畢才能繼續執行，所以join的好處能夠保證線程的執行順序。

但是如果調用線程的join方法其實已經失去了并行的意義，雖然存在多個線程，但是本質上還是串行的，最后join的實現其實是基于等待通知機制的。

4、threadLocal

threadLocal方式的線程通信，不像以上三種方式是多個線程之間的通信，它更像是一個線程內部的通信，將當前線程和一個map綁定，在當前線程內可以任意存取數據，減省了方法調用間參數的傳遞。

線程特點：

1、輕型實體

線程中的實體基本上不擁有系統資源，只是有一點必不可少的、能保證獨立運行的資源。線程的實體包括程序、數據和TCB。線程是動態概念，它的動態特性由線程控制塊TCB（Thread Control Block）描述。

2、獨立調度和分派的基本單位

在多線程OS中，線程是能獨立運行的基本單位，因而也是獨立調度和分派的基本單位。由于線程很“輕”，故線程的切換非常迅速且開銷小（在同一進程中的）。

3、可并發執行

在一個進程中的多個線程之間，可以并發執行，甚至允許在一個進程中所有線程都能并發執行；同樣，不同進程中的線程也能并發執行，充分利用和發揮了處理機與外圍設備并行工作的能力。

4、共享進程資源

在同一進程中的各個線程，都可以共享該進程所擁有的資源，這首先表現在：所有線程都具有相同的地址空間（進程的地址空間），這意味著，線程可以訪問該地址空間的每一個虛地址。

此外，還可以訪問進程所擁有的已打開文件、定時器、信號量機構等。由于同一個進程內的線程共享內存和文件，所以線程之間互相通信不必調用內核。