【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： ()

()

golang中最大協程數的限制（線程）

golang中最大協程數的限制

golang中有最大協程數的限制嗎？如果有的話，是通過什么參數控制呢？還是通過每個協程占用的資源計算？

通過channel控制協程數的就忽略吧。

以我的理解，計算機資源肯定是有限的，所以goroutine肯定也是有限制的，單純的goroutine，一開始每個占用4K內存，所以這里會受到內存使用量的限制，還有goroutine是通過系統線程來執行的，golang默認最大的線程數是10000個。可以通過

來修改。但要注意線程和goroutine不是一一對應關系，理論上內存足夠大，而且goroutine不是計算密集型的話，可以開啟無限個goroutine。

Go語言——goroutine并發模型

參考：

Goroutine并發調度模型深度解析手擼一個協程池

Golang 的 goroutine 是如何實現的？

Golang - 調度剖析【第二部分】

OS線程初始棧為2MB。Go語言中，每個goroutine采用動態擴容方式，初始2KB，按需增長，最大1G。此外GC會收縮棧空間。

BTW，增長擴容都是有代價的，需要copy數據到新的stack，所以初始2KB可能有些性能問題。

更多關于stack的內容，可以參見大佬的文章。 聊一聊goroutine stack

用戶線程的調度以及生命周期管理都是用戶層面，Go語言自己實現的，不借助OS系統調用，減少系統資源消耗。

Go語言采用兩級線程模型，即用戶線程與內核線程KSE（kernel scheduling entity）是M:N的。最終goroutine還是會交給OS線程執行，但是需要一個中介，提供上下文。這就是G-M-P模型

Go調度器有兩個不同的運行隊列：

go1.10\src\runtime\runtime2.go

Go調度器根據事件進行上下文切換。

調度的目的就是防止M堵塞，空閑，系統進程切換。

詳見 Golang - 調度剖析【第二部分】

Linux可以通過epoll實現網絡調用，統稱網絡輪詢器N（Net Poller）。

文件IO操作

上面都是防止M堵塞，任務竊取是防止M空閑

每個M都有一個特殊的G，g0。用于執行調度，gc，棧管理等任務，所以g0的棧稱為調度棧。g0的棧不會自動增長，不會被gc，來自os線程的棧。

go1.10\src\runtime\proc.go

G沒辦法自己運行，必須通過M運行

M通過通過調度，執行G

從M掛載P的runq中找到G，執行G

golang的線程模型——GMP模型

內核線程（Kernel-Level Thread ，KLT）

輕量級進程（Light Weight Process,LWP）：輕量級進程就是我們通常意義上所講的線程，由于每個輕量級進程都由一個內核線程支持，因此只有先支持內核線程，才能有輕量級進程

用戶線程與系統線程一一對應，用戶線程執行如lo操作的系統調用時，來回切換操作開銷相對比較大

多個用戶線程對應一個內核線程，當內核線程對應的一個用戶線程被阻塞掛起時候，其他用戶線程也阻塞不能執行了。

多對多模型是可以充分利用多核CPU提升運行效能的

go線程模型包含三個概念：內核線程(M)，goroutine(G),G的上下文環境（P）；

GMP模型是goalng特有的。

P與M一般是一一對應的。P（上下文）管理著一組G（goroutine）掛載在M（內核線程）上運行，圖中左邊藍色為正在執行狀態的goroutine，右邊為待執行狀態的goroutiine隊列。P的數量由環境變量GOMAXPROCS的值或程序運行runtime.GOMAXPROCS()進行設置。

當一個os線程在執行M1一個G1發生阻塞時，調度器讓M1拋棄P，等待G1返回，然后另起一個M2接收P來執行剩下的goroutine隊列（G2、G3...），這是golang調度器厲害的地方，可以保證有足夠的線程來運行剩下所有的goroutine。

當G1結束后，M1會重新拿回P來完成，如果拿不到就丟到全局runqueue中，然后自己放到線程池或轉入休眠狀態。空閑的上下文P會周期性的檢查全局runqueue上的goroutine，并且執行它。

另一種情況就是當有些P1太閑而其他P2很忙碌的時候，會從其他上下文P2拿一些G來執行。

詳細可以翻看下方第一個參考鏈接，寫得真好。

最后用大佬的總結來做最后的收尾————

Go語言運行時，通過核心元素G，M，P 和 自己的調度器，實現了自己的并發線程模型。調度器通過對G，M，P的調度實現了兩級線程模型中操作系統內核之外的調度任務。整個調度過程中會在多種時機去觸發最核心的步驟 “一整輪調度”，而一整輪調度中最關鍵的部分在“全力查找可運行G”，它保證了M的高效運行（換句話說就是充分使用了計算機的物理資源），一整輪調度中還會涉及到M的啟用停止。最后別忘了，還有一個與Go程序生命周期相同的系統監測任務來進行一些輔助性的工作。

淺析Golang的線程模型與調度器

Golang CSP并發模型

Golang線程模型

Golang 線程和協程的區別

線程：

多線程是為了解決CPU利用率的問題，線程則是為了減少上下文切換時的開銷，進程和線程在Linux中沒有本質區別，最大的不同就是進程有自己獨立的內存空間，而線程是共享內存空間。

在進程切換時需要轉換內存地址空間，而線程切換沒有這個動作，所以線程切換比進程切換代價要小得多。

協程：

想要簡單，又要性能高，協程就可以達到我們的目的，它是用戶視角的一種抽象，操作系統并沒有這個概念，主要思想是在用戶態實現調度算法，用少量線程完成大量任務的調度。

Goroutine是GO語言實現的協程，其特點是在語言層面就支持，使用起來十分方便，它的核心是MPG調度模型：M即內核線程;P即處理器，用來執行Goroutine，它維護了本地可運行隊列;G即Goroutine，代碼和數據結構;S及調度器，維護M和P的信息。