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golang的调度模型--GMP

发布时间：2021-12-03 编辑：jiaochengji.com

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GMP是什么？

是golang内部自己实现的调度器，由’‘G’’,“M”,“P"用来调度goruntine，被称为"GMP模型”。

<h2>GMP的由来</h2>

为什么golang程序中的goruntine需要GMP来进行调度执行呢？

单进程的时代
单进程时代（硬件上cpu是单核的）即一个程序就一个进程，没有别的东西存在。每一个进程都由操作系统来进行调度，按顺序的在cpu上进行执行，及一切的程序只能串行发生。

这样单一的执行流程，计算机只能一个任务一个任务地处理，而且进程阻塞会带来cpu资源空闲的浪费。为了解决上述的问题，后来操作系统在一个进程阻塞时，有了切换到其他等待执行的进程的能力，具有了最早的并发能力：多进程并发，这里不是本文重点，不过多描述。

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多进程，多线程时代
在多进程/多线程的时代（硬件上cpu是多核的），操作系统就解决了阻塞的问题。一个进程阻塞，cpu可以转换执行其余等待线程，而且<code>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</code>。

但是多进程并发存在问题，因为<code>一个进程拥有太多的资源，进程的创建、切换、销毁都会占用cpu很长的时间</code>。总的来看。cpu有很大一部分都用来进行<code>进程调度</code>了，真正利用cpu执行任务的时间并不充分。

那怎么样才能提高cpu的利用率呢？随着时间的推移，就来到了多线程的时代。

一个进程可以有多个线程，分别执行任务。而且对linux操作系统来说，cpu对进程和线程的态度是一样的，一样可以进行调度。而且线程本身相对进程来说，占用资源少，cpu切换速度快，如此可以达到提高cpu使用率的目的。但是同时也带来了许多问题，<code>因为同一个进程中的多个线程共享资源</code>，所以在<code>多线程开发设计</code>时要考虑<code>同步竞争</code>，如锁、竞争冲突等很多问题。除此之外，在如今的<code>互联网高并发场景</code>下，为每个任务创建一个线程也是不现实的，因为每个线程占用内存能达到4mb，进程更不用说了。大量的进程/线程会引发高内存占用和调度的高消耗cpu的问题。

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协程的到来
前面说到了多线程的问题，后来工程师们发现，其实一个线程分为“内核态“线程和”用户态“线程。一个“用户态线程”必须要绑定一个“内核态线程”，但是CPU并不知道有“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)。细化去分类一下，内核线程依然叫“线程(thread)”，用户线程叫“协程(co-routine)"，如下图所示：

既然协程和线程有绑定的关系，后面就有3种协程和线程的映射关系

</li></ol>

N：1关系：

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，因为只有一个线程存在，所以1个进程的所有协程都绑定在1个线程上
缺点：
1. 某个程序用不了硬件的多核加速能力
2. 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，无并发能力
1：1关系：
跟多线程/多进程模型无疑，切换协程成本代价昂贵

M:N关系：

克服了以上两种映射关系的缺点。
能够利用多核，主要性能取决于协程调度器的算法和优化
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。但golang里面的协程不太一样，有一个时间片的概念，即一个goroutine最多占用cpu10ms，防止其他goruntine饿死。

<h1>Goruntine介绍</h1>

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：

<ul><li>占用内存更小（几 kb）</li><li>调度更灵活 (runtime 调度)</li></ul><h1>详述GMP</h1> <h2>早期调度器（GM）介绍</h2>

最初的调度器只有GM，如下图所示：

老调度器的缺点：
1、创建、销毁、调度G都需要每个M获取锁，这就形成了激烈的锁竞争。

2、M转移G会造成延迟和额外的系统负载。比如当G中包含创建新协程的时候，M创建了G’，为了继续执行G，需要把G’交给M’执行，也造成了很差的局部性，因为G’和G是相关的，最好放在M上执行，而不是其他M’。

3、系统调用(CPU在M之间的切换)导致频繁的线程阻塞和取消阻塞操作增加了系统开销。

<h2>现用调度器（GMP）简介</h2>

后来改进版的调度器在原来的GM模型中又引入了P，成为了现在的GMP模型。

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
M：内核态线程
G：用户态线程，也就是协程，在golang中称为goruntine
P：调度器管理，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。

<ol><li>全局G队列（Global Queue）：存放等待运行的G。</li><li>P的本地G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，<code>不超过256个</code>。新建G’时，G’<code>优先加入到P的本地队列</code>，如果队
列满了，则会<code>把本地队列中一半的G移动到全局队列</code>。</li><li>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。可通过 runtime.GOMAXPROCS() 来进行设置，1.5版本之前默认为1，使用单核心执行，之后默认为最大逻辑cpu数量，即默认有最大逻辑cpu数量个P。</li><li>M列表：当前操作系统分配给golang程序的内核线程数。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会<code>优先尝试</code>从全局队列<code>拿一批G放到P的本地队列</code>，或<code>从其他P的本地队列偷一半放到自己P的本地队列</code>。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。</li></ol>

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。

P的数量：
由启动时环境变量 G O M A X P R O C S 或者是由 r u n t i m e 的方法 G O M A X P R O C S ( ) 决定。这意味着在程序执行的任意时刻都只有 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，是并行的概念。默认有逻辑cpu数量个。
M的数量：
M的数量在程序运行时是动态变化的。Go语言本身默认限定M的最大量是10000（基本可以忽略限制，因为os能开启的内核线程数一般也达不到10000），可通过runtime/debug包中的SetMaxThreads函数来设置（一般也不用）。golang程序运行中，有一个M阻塞，会创建一个新的M，就会回收或者睡眠

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

<ol><li>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。</li><li>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。</li></ol><h2>调度器的设计策略</h2> <ul><li>

复用线程M
避免频繁的创建、销毁线程，而是对线程的复用

work stealing机制（偷取机制，作用在G层面）
当本线程M无可运行的 G 时，尝试从其他线程绑定的 P 偷取 G（全局队列为空时），而不是销毁线程，一般数量是一半。

如上图状态，M2没有goruntine可执行，而且全部队列为空（全局队列不会空时从全局队列中按照数量规则（min(len(全局队列)/GOMAXPROCS 1, len(全局队列/2))）获取），就会触发work stealing机制，从其他M绑定的P本地队列中偷取一半的goruntine到自己绑定的P本的队列中

</li><li>

hand off 机制（分离机制，作用在M和P的绑定关系上）
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。
下图中，从左到右是一个hand off机制的执行过程

</li></ol></li><li>

利用并行
利用多核并行处理任务。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 也限制了并行的程度，比如 GOMAXPROCS = 核数/2，则最多利用了一半的 CPU 核进行并行。

</li><li>

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。

</li><li>

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。

</li></ul><h2>调度器详解</h2>

go func () 调度流程：

从上图我们可以分析出几个结论：

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，或者是从全局队列中获取；

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(绑定的G不再阻塞)时候，这个 M 会尝试获取一个空闲的 P 执行，并把绑定的G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。

调度器的生命周期：

特殊的 M0 和 G0
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，<code>每个 M 都会有一个自己的 G0</code>（负责调度该M绑定的P的本地队列中的G）。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。

通过简单代码进行分析：

<pre><code class="lang-go hljs">package main import "fmt" func main() { fmt.Println("Hello world") } </code></pre> <ol><li>runtime 创建最初的线程 m0 和 goroutine g0，并把 2 者关联。</li><li>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。</li><li>示例代码中的 main 函数是 main.main，runtime 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。</li><li>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。</li><li>G 拥有栈，M 根据 G 中的栈信息和调度信息设置运行环境</li><li>M 运行 G</li><li>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。</li></ol>

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。

参考文章：
1. https://studygolang.com/topics/12187
2. https://www.jianshu.com/p/181dc7845bb8
3. https://mp.weixin.qq.com/s/nyTF3IgPf1qkBWCJZQuTuA
4. https://studygolang.com/topics/12057
5. [典藏版] Golang 调度器 GMP 原理与调度全分析
6. https://www.bilibili.com/video/BV19r4y1w7Nx?p=4
7. GO为什么这么"快"
8. 图解 Goroutine 与抢占机制解释了如果一个循环没有任何函数调用，它是不会被调度器切换调度的

<blockquote class="layui-elem-quote" style="width: 100%;overflow:hidden"> 作者： csdniter
链接： https://blog.csdn.net/csdniter/article/details/108248393
著作权归作者所有。商业转载请联系作者获得授权，非商业转载请注明出处。
</blockquote>

到此这篇关于“golang的调度模型--GMP”的文章就介绍到这了,更多文章或继续浏览下面的相关文章，希望大家以后多多支持JQ教程网！

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