Go调度器介绍和容易忽视的问题
- 2019 年 10 月 3 日
- 筆記
本文记录了本人对Golang调度器的理解和跟踪调度器的方法，特别是一个容易忽略的goroutine执行顺序问题，看了很多篇Golang调度器的文章都没提到这个点，分享出来一起学习，欢迎交流指正。
什么是调度器
为了方便刚接触操作系统和高级语言的同学，先用大白话介绍下什么是调度器。
调度，是将多个程序合理的安排到有限的CPU上来使得每个程序都能够得以执行，实现宏观的并发执行。比如我们的电脑CPU只有四核甚至双核，可是我们却可以在电脑上同时运行几十个程序，这就是操作系统调度器的功劳。但操作系统调度的是进程和线程，线程简单地说就是轻量级的进程，但是每个线程仍需要MB级别的内存，而且如果两个切换的线程在不同的进程中，还需要进程切换，会使CPU在调度这件事上花费大量时间。
为了更合理的利用CPU，Golang通过goroutine原生支持高并发，goroutine是由go调度器在语言层面进行调度，将goroutine安排到线程上，可以更充分地利用CPU。
Golang的调度器
Golang的调度器在runtime中实现，我们每个运行的程序执行前都会运行一个runtime负责调度goroutine，我们写的代码入口要在main包下的main函数中也是因为runtime.main函数会调用main.main。Golang的调度器在2012被重写过一次，现在使用的是新版的G-P-M调度器，但是我们还是先来看下老的G-M调度器，这样才可以更好的体会当前调度器的强大之处。
G-M模型：
下面是旧调度器的G-P模型：
M：代表线程，goroutine都是由线程来执行的；
Global G Queue：全局goroutine队列，其中G就代表goroutine，所有M都从这个队列中取出goroutine来执行。
这种模型比较简单，但是问题也很明显：
- 多个M访问一个公共的全局G队列，每次都需要加互斥锁保护，造成激烈的锁竞争和阻塞；
- 局部性很差，即如果M1上的G1创建了G2，需要将G2交给M2执行，但G1和G2是相关的，最好放在同一个M上执行。
- M中有mcache(内存分配状态)，消耗大量内存和较差的局部性。
-
系统调用syscall会阻塞线程，浪费不能合理的利用CPU。
G-P-M模型
后来Go语言开发者改善了调度器为G-P-M模型，如下图：
其中G还是代表goroutine，M代表线程，全局队列依然存在；而新增加的P代表逻辑processor，现在G的眼中只有P，在G的眼里P就是它的CPU。并且给每个P新增加了局部队列来保存本P要处理的goroutine。
这个模型的调度方法如下：
- 每个P有个局部队列，局部队列保存待执行的goroutine
- 每个P和一个M绑定，M是真正的执行P中goroutine的实体
- 正常情况下，M从绑定的P中的局部队列获取G来执行
- 当M绑定的P的的局部队列已经满了之后就会把goroutine放到全局队列
- M是复用的，不需要反复销毁和创建，拥有work stealing和hand off策略保证线程的高效利用。
- 当M绑定的P的局部队列为空时，M会从其他P的局部队列中偷取G来执行，即work stealing；当其他P偷取不到G时，M会从全局队列获取到本地队列来执行G。
- 当G因系统调用(syscall)阻塞时会阻塞M，此时P会和M解绑即hand off，并寻找新的idle的M，若没有idle的M就会新建一个M。
- 当G因channel或者network I/O阻塞时，不会阻塞M，M会寻找其他runnable的G；当阻塞的G恢复后会重新进入runnable进入P队列等待执行
- mcache(内存分配状态)位于P，所以G可以跨M调度，不再存在跨M调度局部性差的问题
- G是抢占调度。不像操作系统按时间片调度线程那样，Go调度器没有时间片概念，G因阻塞和被抢占而暂停，并且G只能在函数调用时有可能被抢占，极端情况下如果G一直做死循环就会霸占一个P和M，Go调度器也无能为力。
Go调度器奇怪的执行顺序
是不是感觉自己对Go调度器工作原理已经有个初步的了解了？下面指出一个坑给你踩一下，小心了！
请看下面这段代码输出什么：
func main() { done := make(chan bool) values := []string{"a", "b", "c"} for _, v := range values { fmt.Println("--->", v) go func(u string) { fmt.Println(u) done <- true }(v) } // wait for all goroutines to complete before exiting for _ = range values { <-done } }先仔细想一下再看答案哦！
实际的数据结果是：
---> a ---> b ---> c c b aGo调度器示例代码可以在跟着示例代码学golang中查看，持续更新中，想系统学习Golang的同学可以关注一下。
可能你的第一反应是“不应该是输出a,b,c,吗？为什么输出是c,a,b呢？”
这里我们虽然是使用for循环创建了3个goroutine，而且创建顺序是a,b,c，按之前的分析应该是将a,b,c三个goroutine依次放进P的局部队列，然后按照顺序依次执行a,b,c所在的goroutine，为什么每次都是先执行c所在的goroutine呢？这是因为同一逻辑处理器中三个任务被创建后 理论上会按顺序 被放在同一个任务队列，但实际上最后那个任务会被放在专一的next（下一个要被执行的任务的意思）的位置，所以优先级最高，最可能先被执行，所以表现为在同一个goroutine中创建的多个任务中最后创建那个任务最可能先被执行。
这段解释来自参考文章《Goroutine执行顺序讨论》中。
# 调度器状态的查看方法
GODEBUG这个Go运行时环境变量很是强大，通过给其传入不同的key1=value1,key2=value2… 组合，Go的runtime会输出不同的调试信息，比如在这里我们给GODEBUG传入了”schedtrace=1000″，其含义就是每1000ms，打印输出一次goroutine scheduler的状态。
下面演示使用Golang强大的GODEBUG环境变量可以查看当前程序中Go调度器的状态：
环境为Windows10的Linux子系统(WSL)，WSL搭建和使用的代码在learn-golang项目有整理，代码在文末参考的鸟窝的文章中也可以找到。
func main() { var wg sync.WaitGroup wg.Add(10) for i := 0; i < 10; i++ { go work(&wg) } wg.Wait() // Wait to see the global run queue deplete. time.Sleep(3 * time.Second) } func work(wg *sync.WaitGroup) { time.Sleep(time.Second) var counter int for i := 0; i < 1e10; i++ { counter++ } wg.Done() }编译指令：
go build 01_GODEBUG-schedtrace.go GODEBUG=schedtrace=1000 ./01_GODEBUG-schedtrace结果：
SCHED 0ms: gomaxprocs=4 idleprocs=1 threads=5 spinningthreads=1 idlethreads=0 runqueue=0 [4 0 4 0] SCHED 1000ms: gomaxprocs=4 idleprocs=4 threads=8 spinningthreads=0 idlethreads=3 runqueue=0 [0 0 0 0] SCHED 2007ms: gomaxprocs=4 idleprocs=0 threads=8 spinningthreads=0 idlethreads=3 runqueue=0 [0 0 0 6] SCHED 3025ms: gomaxprocs=4 idleprocs=0 threads=8 spinningthreads=0 idlethreads=3 runqueue=0 [0 0 0 6] SCHED 4033ms: gomaxprocs=4 idleprocs=0 threads=8 spinningthreads=0 idlethreads=3 runqueue=0 [0 0 0 6] SCHED 5048ms: gomaxprocs=4 idleprocs=0 threads=8 spinningthreads=0 idlethreads=3 runqueue=0 [0 0 0 6] SCHED 6079ms: gomaxprocs=4 idleprocs=0 threads=8 spinningthreads=0 idlethreads=3 runqueue=0 [0 0 0 6] SCHED 7081ms: gomaxprocs=4 idleprocs=0 threads=8 spinningthreads=0 idlethreads=3 runqueue=0 [0 0 0 6] SCHED 8092ms: gomaxprocs=4 idleprocs=0 threads=8 spinningthreads=0 idlethreads=3 runqueue=0 [0 0 0 6] SCHED 9113ms: gomaxprocs=4 idleprocs=0 threads=8 spinningthreads=0 idlethreads=3 runqueue=0 [0 1 0 1] SCHED 10129ms: gomaxprocs=4 idleprocs=0 threads=8 spinningthreads=0 idlethreads=3 runqueue=0 [0 1 0 1] SCHED 11134ms: gomaxprocs=4 idleprocs=0 threads=8 spinningthreads=0 idlethreads=3 runqueue=0 [0 1 0 1] SCHED 12157ms: gomaxprocs=4 idleprocs=0 threads=8 spinningthreads=0 idlethreads=3 runqueue=0 [0 1 0 1] SCHED 13170ms: gomaxprocs=4 idleprocs=0 threads=8 spinningthreads=0 idlethreads=3 runqueue=0 [0 1 0 1] SCHED 14183ms: gomaxprocs=4 idleprocs=0 threads=8 spinningthreads=0 idlethreads=3 runqueue=0 [0 1 0 1] SCHED 15187ms: gomaxprocs=4 idleprocs=0 threads=8 spinningthreads=0 idlethreads=3 runqueue=0 [0 1 0 1] SCHED 16187ms: gomaxprocs=4 idleprocs=2 threads=8 spinningthreads=0 idlethreads=5 runqueue=0 [0 0 0 0] SCHED 17190ms: gomaxprocs=4 idleprocs=2 threads=8 spinningthreads=0 idlethreads=5 runqueue=0 [0 0 0 0] SCHED 18193ms: gomaxprocs=4 idleprocs=2 threads=8 spinningthreads=0 idlethreads=5 runqueue=0 [0 0 0 0] SCHED 19196ms: gomaxprocs=4 idleprocs=2 threads=8 spinningthreads=0 idlethreads=5 runqueue=0 [0 0 0 0] SCHED 20200ms: gomaxprocs=4 idleprocs=4 threads=8 spinningthreads=0 idlethreads=6 runqueue=0 [0 0 0 0] SCHED 21210ms: gomaxprocs=4 idleprocs=4 threads=8 spinningthreads=0 idlethreads=6 runqueue=0 [0 0 0 0] SCHED 22219ms: gomaxprocs=4 idleprocs=4 threads=8 spinningthreads=0 idlethreads=6 runqueue=0 [0 0 0 0]看到怎么多输出不要慌， 了解每个字段的含义就很清晰了：
- SCHED 1000ms
自程序运行开始经历的时间 - gomaxprocs=4
当前程序使用的逻辑processor，即P，小于等于CPU的核数。 - idleprocs=4
空闲的线程数 - threads=8
当前程序的总线程数M，包括在执行G的和空闲的 - spinningthreads=0
处于自旋状态的线程，即M在绑定的P的局部队列和全局队列都没有G，M没有销毁而是在四处寻觅有没有可以steal的G，这样可以减少线程的大量创建。 - idlethreads=3
处于idle空闲状态的线程 - runqueue=0
全局队列中G的数目 - [0 0 0 6]
本地队列中的每个P的局部队列中G的数目，我的电脑是四核所有有四个P。
上面的输出信息已经足够我们了解我们的程序运行状况，要想看每个goroutine、m和p的详细调度信息，可以在GODEBUG时加入，scheddetail：
GODEBUG=schedtrace=1000,scheddetail=1 ./01_GODEBUG-schedtrace结果如下：
SCHED 0ms: gomaxprocs=4 idleprocs=4 threads=7 spinningthreads=0 idlethreads=2 runqueue=0 gcwaiting=0 nmidlelocked=0 stopwait=0 sysmonwait=0 P0: status=0 schedtick=7 syscalltick=1 m=-1 runqsize=0 gfreecnt=0 P1: status=0 schedtick=2 syscalltick=1 m=-1 runqsize=0 gfreecnt=0 P2: status=0 schedtick=1 syscalltick=1 m=-1 runqsize=0 gfreecnt=0 P3: status=0 schedtick=1 syscalltick=1 m=-1 runqsize=0 gfreecnt=0 M6: p=-1 curg=-1 mallocing=0 throwing=0 preemptoff= locks=0 dying=0 spinning=false blocked=true lockedg=-1 M5: p=-1 curg=-1 mallocing=0 throwing=0 preemptoff= locks=0 dying=0 spinning=false blocked=true lockedg=-1 M4: p=-1 curg=33 mallocing=0 throwing=0 preemptoff= locks=0 dying=0 spinning=false blocked=true lockedg=-1 M3: p=-1 curg=49 mallocing=0 throwing=0 preemptoff= locks=0 dying=0 spinning=false blocked=true lockedg=-1 M2: p=-1 curg=17 mallocing=0 throwing=0 preemptoff= locks=0 dying=0 spinning=false blocked=true lockedg=-1 M1: p=-1 curg=-1 mallocing=0 throwing=0 preemptoff= locks=1 dying=0 spinning=false blocked=false lockedg=-1 M0: p=-1 curg=14 mallocing=0 throwing=0 preemptoff= locks=0 dying=0 spinning=false blocked=true lockedg=-1 G1: status=4(semacquire) m=-1 lockedm=-1 G2: status=4(force gc (idle)) m=-1 lockedm=-1 G3: status=4(GC sweep wait) m=-1 lockedm=-1 G4: status=4(sleep) m=-1 lockedm=-1 G5: status=4(sleep) m=-1 lockedm=-1 G6: status=4(sleep) m=-1 lockedm=-1 G7: status=4(sleep) m=-1 lockedm=-1 G8: status=4(sleep) m=-1 lockedm=-1 G9: status=4(sleep) m=-1 lockedm=-1 G10: status=4(sleep) m=-1 lockedm=-1 G11: status=4(sleep) m=-1 lockedm=-1 G12: status=4(sleep) m=-1 lockedm=-1 G13: status=4(sleep) m=-1 lockedm=-1 G14: status=3() m=0 lockedm=-1 G33: status=3() m=4 lockedm=-1 G17: status=3() m=2 lockedm=-1 G49: status=3() m=3 lockedm=-1
代码可以在跟着示例代码学golang中查看，持续更新中，想系统学习Golang的同学可以关注一下。
参考资料：
