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Go

Golang的GMP设计思想及协程调度器原理

林贤钦
2022-04-14 / 0 评论 / 3 点赞 / 361 阅读 / 4,139 字
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本文最后更新于 2022-04-15,若内容或图片失效,请留言反馈。部分素材来自网络,若不小心影响到您的利益,请联系我们删除。

Golang的GMP设计思想及协程调度器原理

一、Golang“调度器”的由来?

1、单进程时代

一切的软件都是跑在操作系统上,真正计算的是CPU。早期的操作系统每个程序就是一个进程,一个程序运行完了,才能进行下一个进程,就是“单进程时代”。

早期的单进程操作系统,面临2个问题:

1、单一的执行流程,计算器只能一个任务一个任务处理。

2、进程阻塞所带来的CPU浪费。

能不能多个进程宏观的一起执行多个任务?

后来操作系统就具备了最早的并发能力:多进程并发,当一个进程阻塞的时候,切换到另一个等待执行的进程,这样就能把CPU利用起来,CPU就不浪费了。

2、多进程时代

在多进程/多线程的操作系统中,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,都会占用很长的时间,CPU虽然利用起来了,但如果进程过多,CPU有很大的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?

但是对于Linux操作系统来讲,cpu对进程的态度和线程的态度是一样的。Java使用的就是多线程开发,在多线程开发中,存在许多同步竞争问题,如锁,竞争冲突等。

3、协程来提高CPU利用率

多进程、多线程让系统提高了并发能力,但如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,而且线程上下文切换消耗比较高。

为了提升系统的并发能力,降低上下文切换带来的损耗,工程师将一个线程分成“内核态”线程 和 “用户态”线程

一个 ”用户态线程“ 必须绑定一个”内核态线程“,但CPU并不知道“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),将线程进一步细分,内核线程依然叫“线程Thread”,用户线程叫 “协程(co-routine)”。

协程和线程的映射关系:

一个协程可以绑定一个线程,多个协程也可以绑定一个线程

  • 协程的创建、删除和切换的代价都由CPU完成,有点略显昂贵了。

N个协程绑定1个线程,优点就是协程在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。但也有很大的缺点,1个进程的所有协程都绑定在1个线程上

  • 某个程序用不了硬件的多核加速能力
  • 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。

M个协程绑定N个线程,是N:1和1:1类型的结合,克服了以上2种模型的缺点,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,协程由用户态调度是协作式的,一个协程让出CPU后,才执行下一个协程。

4、Go语言的协程goroutine

Go为了提供更容易使用的并发方法,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线程之上,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)

二、Goroutine调度器的GMP模型的设计思想

1、GMP模型

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。

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

  1. 全局队列(Global Queue):存放等待运行的G。
  2. 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G’时,G’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。
  3. 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。
  4. 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一批G放到P的本地队列,或从其他P的本地队列一半放到自己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$GOMAXPROCS或者是由runtime的方法GOMAXPROCS()决定。这意味着在程序执行的任意时刻都只有$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:在确定了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何时创建: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。

2、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,最多有GOMAXPROCS个线程分布在多个CPU上同时运行。GOMAXPROCS也限制了并发的程度,比如GOMAXPROCS = 核数/2,则最多利用了一半的CPU核进行并行。

抢占:在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CPU 10ms,防止其他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。

3、go func() 调度流程

  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会先保存在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系统调用结束时候,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变成休眠状态, 加入到空闲线程中,然后这个G会被放入全局队列中。

4、调度器的生命周期

M0

M0是启动程序后的编号为0的主线程,这个M对应的实例会在全局变量runtime.m0中,不需要在heap上分配,M0负责执行初始化操作和启动第一个G, 在之后M0就和其他的M一样了。

G0

G0是每次启动一个M都会第一个创建的gourtine,G0仅用于负责调度的G,G0不指向任何可执行的函数, 每个M都会有一个自己的G0。在调度或系统调用时会使用G0的栈空间, 全局变量的G0是M0的G0。

我们来跟踪一段代码

package mainimport "fmt"func main() {    fmt.Println("Hello world")}

接下来我们来针对上面的代码对调度器里面的结构做一个分析。

也会经历如上图所示的过程:

  1. runtime创建最初的线程m0和goroutine g0,并把2者关联。
  2. 调度器初始化:初始化m0、栈、垃圾回收,以及创建和初始化由GOMAXPROCS个P构成的P列表。
  3. 示例代码中的main函数是main.mainruntime中也有1个main函数——runtime.main,代码经过编译后,runtime.main会调用main.main,程序启动时会为runtime.main创建goroutine,称它为main goroutine吧,然后把main goroutine加入到P的本地队列。
  4. 启动m0,m0已经绑定了P,会从P的本地队列获取G,获取到main goroutine。
  5. G拥有栈,M根据G中的栈信息和调度信息设置运行环境
  6. M运行G
  7. G退出,再次回到M获取可运行的G,这样重复下去,直到main.main退出,runtime.main执行Defer和Panic处理,或调用runtime.exit退出程序。

调度器的生命周期几乎占满了一个Go程序的一生,runtime.main的goroutine执行之前都是为调度器做准备工作,runtime.main的goroutine运行,才是调度器的真正开始,直到runtime.main结束而结束。

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