Go语言的GPM调度器是什么？

• 2020 年 4 月 17 日
• 笔记
• golang

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导读

相信很多人都听说过Go语言天然支持高并发，原因是内部有协程（goroutine）加持，可以在一个进程中启动成千上万个协程。那么，它凭什么做到如此高的并发呢？那就需要先了解什么是并发模型。

并发模型

著名的C++专家Herb Sutter曾经说过“免费的午餐已经终结”。为了让代码运行的更快，单纯依靠更快的硬件已经无法得到满足，我们需要利用多核来挖掘并行的价值，而并发模型的目的就是来告诉你不同执行实体之间是如何协作的。

当然，不同的并发模型的协作方式也不尽相同，常见的并发模型有七种：

• 线程与锁
• 函数式编程
• Clojure之道
• actor
• 通讯顺序进程（CSP）
• 数据级并行
• Lambda架构

而今天，我们只讲与Go语言相关的并发模型CSP，感兴趣的同学可以自行查阅书籍《七周七并发模型》。

CSP篇

CSP，全称Communicating Sequential Processes，意为通讯顺序进程，它是七大并发模型中的一种，它的核心观念是将两个并发执行的实体通过通道channel连接起来，所有的消息都通过channel传输。其实CSP概念早在1978年就被东尼·霍尔提出，由于近来Go语言的兴起，CSP又火了起来。

那么CSP与Go语言有什么关系呢？接下来我们来看Go语言对CSP并发模型的实现——GPM调度模型。

GPM调度模型

GPM代表了三个角色，分别是Goroutine、Processor、Machine。

• Goroutine：就是咱们常用的用go关键字创建的执行体，它对应一个结构体g，结构体里保存了goroutine的堆栈信息
• Machine：表示操作系统的线程
• Processor：表示处理器，有了它才能建立G、M的联系

Goroutine

Goroutine就是代码中使用go关键词创建的执行单元，也是大家熟知的有“轻量级线程”之称的协程，协程是不为操作系统所知的，它由编程语言层面实现，上下文切换不需要经过内核态，再加上协程占用的内存空间极小，所以有着非常大的发展潜力。

go func() {}()

在Go语言中，Goroutine由一个名为runtime.go的结构体表示，该结构体非常复杂，有40多个成员变量，主要存储执行栈、状态、当前占用的线程、调度相关的数据。还有玩大家很想获取的goroutine标识，但是很抱歉，官方考虑到Go语言的发展，设置成私有了，不给你调用😏。

type g struct {
	stack struct {
		lo uintptr
		hi uintptr
	} 							// 栈内存：[stack.lo, stack.hi)
	stackguard0	uintptr
	stackguard1 uintptr

	_panic       *_panic
	_defer       *_defer
	m            *m				// 当前的 m
	sched        gobuf
	stktopsp     uintptr		// 期望 sp 位于栈顶，用于回溯检查
	param        unsafe.Pointer // wakeup 唤醒时候传递的参数
	atomicstatus uint32
	goid         int64
	preempt      bool       	// 抢占信号，stackguard0 = stackpreempt 的副本
	timer        *timer         // 为 time.Sleep 缓存的计时器

	...
}

Goroutine调度相关的数据存储在sched，在协程切换、恢复上下文的时候用到。

type gobuf struct {
	sp   uintptr
	pc   uintptr
	g    guintptr
	ret  sys.Uintreg
	...
}

Machine

M就是对应操作系统的线程，最多会有GOMAXPROCS个活跃线程能够正常运行，默认情况下GOMAXPROCS被设置为内核数，假如有四个内核，那么默认就创建四个线程，每一个线程对应一个runtime.m结构体。线程数等于CPU个数的原因是，每个线程分配到一个CPU上就不至于出现线程的上下文切换，可以保证系统开销降到最低。

type m struct {
	g0   *g 
	curg *g
	...
}

M里面存了两个比较重要的东西，一个是g0，一个是curg。

• g0：会深度参与运行时的调度过程，比如goroutine的创建、内存分配等
• curg：代表当前正在线程上执行的goroutine。

刚才说P是负责M与G的关联，所以M里面还要存储与P相关的数据。

type m struct {
  ...
	p             puintptr
	nextp         puintptr
	oldp          puintptr
}

• p：正在运行代码的处理器
• nextp：暂存的处理器
• old：系统调用之前的线程的处理器

Processor

Proccessor负责Machine与Goroutine的连接，它能提供线程需要的上下文环境，也能分配G到它应该去的线程上执行，有了它，每个G都能得到合理的调用，每个线程都不再浑水摸鱼，真是居家必备之良品。

同样的，处理器的数量也是默认按照GOMAXPROCS来设置的，与线程的数量一一对应。

type p struct {
	m           muintptr

	runqhead uint32
	runqtail uint32
	runq     [256]guintptr
	runnext guintptr
	...
}

结构体P中存储了性能追踪、垃圾回收、计时器等相关的字段外，还存储了处理器的待运行队列，队列中存储的是待执行的Goroutine列表。

三者的关系

首先，默认启动四个线程四个处理器，然后互相绑定。

这个时候，一个Goroutine结构体被创建，在进行函数体地址、参数起始地址、参数长度等信息以及调度相关属性更新之后，它就要进到一个处理器的队列等待发车。

啥，又创建了一个G？那就轮流往其他P里面放呗，相信你排队取号的时候看到其他窗口没人排队也会过去的。

假如有很多G，都塞满了怎么办呢？那就不把G塞到处理器的私有队列里了，而是把它塞到全局队列里（候车大厅）。

除了往里塞之外，M这边还要疯狂往外取，首先去处理器的私有队列里取G执行，如果取完的话就去全局队列取，如果全局队列里也没有的话，就去其他处理器队列里偷，哇，这么饥渴，简直是恶魔啊！

如果哪里都没找到要执行的G呢？那M就会因为太失望和P断开关系，然后去睡觉（idle）了。

那如果两个Goroutine正在通过channel做一些恩恩爱爱的事阻塞住了怎么办，难道M要等他们完事了再继续执行？显然不会，M并不稀罕这对Go男女，而会转身去找别的G执行。

系统调用

如果G进行了系统调用syscall，M也会跟着进入系统调用状态，那么这个P留在这里就浪费了，怎么办呢？这点精妙之处在于，P不会傻傻的等待G和M系统调用完成，而会去找其他比较闲的M执行其他的G。

当G完成了系统调用，因为要继续往下执行，所以必须要再找一个空闲的处理器发车。

如果没有空闲的处理器了，那就只能把G放回全局队列当中等待分配。

sysmon

sysmon是我们的保洁阿姨，它是一个M，又叫监控线程，不需要P就可以独立运行，每20us~10ms会被唤醒一次出来打扫卫生，主要工作就是回收垃圾、回收长时间系统调度阻塞的P、向长时间运行的G发出抢占调度等等。

词条解释

东尼·霍尔

东尼·霍尔，英国计算机科学家，图灵奖得主，他设计了牛气冲天的快速排序算法、霍尔逻辑以及CSP模型。2011年获颁约翰·冯诺依曼奖。

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