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Golang协程调度原理( G、M、P)

发布时间:2021-12-12   编辑:jiaochengji.com
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<h3>1. 什么是协程?</h3>

协程,又称微线程,纤程。英文名Coroutine。对于进程、线程,都是有内核进行调度,有CPU时间片的概念,进行抢占式调度。协程的调用有点类似子程序,但是和子程序相比,协程有挂起的概念,协程可以挂起跳转执行其他协程,合适的时机再跳转回来。

goroutine使用方式非常的简单,只需使用go关键字即可启动一个协程,并且它是处于异步方式运行,你不需要等它运行完成以后在执行以后的代码。

<h3 style="text-indent:0px;">2. 协程调度原理?</h3>

<span style="color:#f33b45;">G(Goroutine):</span>一个G代表一个goroutine

<span style="color:#f33b45;">M(Machine):</span>内核级线程,一个M代表了一个内核线程,等同于系统线程

<span style="color:#f33b45;">P(Process):</span>处理器,用来管理和执行goroutine,一个P代表了M所需的上下文环境

Sched:代表调度器,它维护有存储M和G的队列以及调度器的一些状态信息等。

G-M-P三者的关系与特点:

P的个数取决于设置的GOMAXPROCS,go新版本默认使用最大内核数,比如你有8核处理器,那么P的数量就是8

M的数量和P不一定匹配,可以设置很多M,M和P绑定后才可运行,多余的M处于休眠状态。

P包含一个LRQ(Local Run Queue)本地运行队列,这里面保存着P需要执行的协程G的队列,除了每个P自身保存的G的队列外,调度器还拥有一个全局的G队列GRQ(Global Run Queue),这个队列存储的是所有未分配的协程G。

三者关系:<span style="color:#f33b45;">G需要绑定在M上才能运行,M需要绑定P才能运行。</span>

简单的来说,一个G的执行需要M和P的支持,一个M在与一个P关联之后形成了一个有效的G运行环境【内核线程 上下文环境】,每个P都会包含一个可运行的G的队列。 

<h3 style="text-indent:0px;">3. 调度实现?</h3>

从上图中看,有2个物理线程M,每一个M都拥有一个处理器P,每一个也都有一个正在运行的goroutine。P的数量可以通过GOMAXPROCS()来设置,它其实也就代表了真正的并发度,即有多少个goroutine可以同时运行。图中灰色的那些goroutine并没有运行,而是出于ready的就绪态,正在等待被调度。P维护着这个队列(称之为runqueue),Go语言里,启动一个goroutine很容易:go function 就行,所以每有一个go语句被执行,runqueue队列就在其末尾加入一个goroutine,在下一个调度点,就从runqueue中取出(如何决定取哪个goroutine?)一个goroutine执行。
 

<span style="color:#f33b45;">线程分为内核态线程和用户态线程,用户态线程需要绑定内核态线程,CPU并不能感知用户态线程的存在,它只知道它在运行1个线程,这个线程实际是内核态线程。</span>

用户态线程实际有个名字叫协程(co-routine),为了容易区分,我们使用协程指用户态线程,使用线程指内核态线程。

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。

调度器的有两大思想:

复用线程:协程本身就是运行在一组线程之上,不需要频繁的创建、销毁线程,而是对线程的复用。在调度器中复用线程还有2个体现:1)work stealing,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。2)hand off,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,当GOMAXPROCS大于1时,就最多有GOMAXPROCS个线程处于运行状态,这些线程可能分布在多个CPU核上同时运行,使得并发利用并行。另外,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。

调度器的两小策略:

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。

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。

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