一文教你看懂Golang协程调度【GMP设计思想】

news2024/11/29 10:48:59

一文教你看懂Golang协程调度【GMP设计思想】

1 Golang调度器的由来

1.1 单进程的问题：进程阻塞、CPU浪费时间

  1. 单一执行程序、计算机只能一个任务一个任务来进行处理
  2. 进程阻塞所带来的CPU浪费时间

1.2 多进程、多线程问题：设计复杂、高内存、CPU占用

  1. 设计变得复杂：
    • 进程/线程的数量越多，切换成本就越大，也就越浪费
    • 多线程往往伴随着同步竞争（如：锁、资源冲突等）
  2. 多进程、多线程的壁垒
    • 高内存占用：
      - 进程占用内存（虚拟内存：4GB 32bitOS）
      - 线程占用内存（约4MB）
    • 高CPU调度消耗

1.3 协程co-routine的模式（M:N，依赖调度器的性能）

在这里插入图片描述

在这里插入图片描述
CPU本质是操控一个线程，只不过我们逻辑意义上将线程划分为了协程和内核空间的线程。然后我们通过编程语言来操控用户空间上的线程（协程）

①N:1方式：

  • 无法利用多个CPU
  • 出现阻塞的瓶颈
    ②1:1方式：
  • 跟多线程/多进程模型无异
  • 切换协程成本代价昂贵
    ③M:N方式：
  • 能够利用多核
  • 过于以来协程调度器的优化和算法

1.4 调度的优化

Goroutine的优化：

  • 内存占用，几KB，可以大量开辟
  • 灵活调度，切换成本低

早期Go调度器的弊端：

基于全局的Go队列和比较传统的轮询，利用多个thread去调度
弊端：

  1. 创建、销毁、调度G（goroutine）都需要每个M获取锁，形成了激烈的资源竞争
  2. M（thread）转移G会曹成延迟和额外的系统负载
  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

2 GMP模型的设计思想

在这里插入图片描述

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。

2.1 GMP模型简介

①GMP：goroutine-processor-thread

G：goroutine 协程
P：processor 处理器
M：thread 内核线程

②全局队列：存放等待运行的G

存放等待运行的goroutine

③P的本地队列：存放等待运行的G

processer的本地队列：

  • 存放等待运行的goroutine
  • 数量限制：不超过256G
  • 优先将新创建的goroutine放在P的本地队列中，如果本地队列放满了才会放在全局队列中

④P列表：程序启动时创建

  • 程序启动时创建
  • 最多有GOMAXPROCS个（可配置）

⑤M列表：当前OS分配到Go程序的内核线程数

当前操作系统分配到当前Go程序的内核线程数

⑥P和M的数量

  1. P的数量：
    • 环境变量$GOMAXPROCS配置
    • 在程序中通过runtime.GOMAXPROCS()来设置
  2. M的数量：
    • Go语言本身限定M最多1W
    • runtime/debug包中的SetMaxThreads函数来设置
    • 如果有一个M阻塞，会创建一个新的M
    • 如果有M空闲，那么就会回收或者睡眠一个M

2.2 调度器的设计策略

①复用线程：work stealing、hand off机制

避免频繁的创建、销毁线程，而是线程进行复用

  • work stealing机制：当本线程无可运行的G时，会尝试从全局G中偷取G，如果全局队列为空，那么从其他线程绑定的P偷取G，而不是销毁空闲的线程【本地队列-全局队列-其他队列】
  • 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。

②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

③抢占

在co-routine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

④全局G队列

当M执行work stealing它可以从全局G的队列获取G

  • 本地队列没有可运行的goroutine,会有steal机制,从从其他P里获取可运行的G ,本地队列运行顺序为 先从本地队列查询,全局队列查询,然后再从其他P里偷取,具体源码在runtime的proc.go
    在这里插入图片描述

2.3 go func()经历了哪些过程

在这里插入图片描述

  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，就会向其他的MP组合或者全局队列中偷取一个可执行的G来执行。【本地-全局-其他队列】
  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或者其他阻塞操作，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复用空闲线程）来服务于这个P。
  6. 当M系统调用结束的时候，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会变成休眠状态，加入到空闲线程中，然后这个G会被放入全局队列中。

2.4 调度器调度的生命周期：M0、G0

在这里插入图片描述

package main

import "fmt"

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

下面我们分析代码流程：

  1. runtime创建最初的线程M0和G0，并把二者关联
  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.main，runtime中也有一个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，然后吧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，或者调用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的结束而结束。

①M0：启动go程序后创建的第一个主线程

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，再之后的M0就和其他M一样了

②G0：每个M启动后创建的第一个goroutine

G0是每次启动一个M都会第一个创建的goroutine，G0仅用于负责调度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

2.5 GMP可视化调试（trace编程）

① 基本的trace编程

  1. 创建trace文件 f,err := os.Create(“trace.out”)
  2. 启动trace trace.Start(f)
  3. 停止trace trace.Stop()
  4. go build运行之后，会得到一个trace.out文件

trace/main.go:

package main

import (
	"fmt"
	"os"
	"runtime/trace"
)

func main() {
	//1. 创建trace文件
	file, err := os.Create("trace.out")
	if err != nil {
		panic(err)
	}
	defer file.Close()
	//2. 开启trace
	trace.Start(file)
	//执行业务逻辑
	fmt.Println("do something...")
	//3. 暂停trace
	trace.Stop()
}

运行上面的程序之后会得到一个trace.out文件：
在这里插入图片描述

②通过go tool trace工具打开trace文件

  1. go tool trace trace.out
  2. 通过http://127.0.0.1:xxxx进行访问(端口是随机的)

在这里插入图片描述

点击页面上的view trace：

在这里插入图片描述
查看效果：
在这里插入图片描述

点击图表中不同的未知，查看左下方的值

在这里插入图片描述

1. G信息

点击Goroutines那一行可视化的数据条，我们会看到一些详细的信息。

在这里插入图片描述

一共有两个G在程序中，一个是特殊的G0，是每个M必须有的一个初始化的G，这个我们不必讨论。

其中G1应该就是main goroutine(执行main函数的协程)，在一段时间内处于可运行和运行的状态。

2. M信息

点击Threads那一行可视化的数据条，我们会看到一些详细的信息。

在这里插入图片描述
一共有两个M在程序中，一个是特殊的M0，用于初始化使用，这个我们不必讨论。

3. P信息

在这里插入图片描述

G1中调用了main.main，创建了trace goroutine g18。G1运行在P1上，G18运行在P0上。

这里有两个P，我们知道，一个P必须绑定一个M才能调度G。

4. M信息

在这里插入图片描述
我们会发现，确实G18在P0上被运行的时候，确实在Threads行多了一个M的数据，点击查看如下：
在这里插入图片描述
多了一个M2应该就是P0为了执行G18而动态创建的M2.

③通过Debug trace方式

main.go

package main

import (
    "fmt"
    "time"
)

func main() {
    for i := 0; i < 5; i++ {
        time.Sleep(time.Second)
        fmt.Println("Hello World")
    }
}

# 编写
go build main.go
# 执行编译好的可执行文件
GODEBUG=schedtrace=1000 ./main 

# 查看输出结果
SCHED 0ms: gomaxprocs=2 idleprocs=0 threads=4 spinningthreads=1 idlethreads=1 runqueue=0 [0 0]
Hello World
SCHED 1003ms: gomaxprocs=2 idleprocs=2 threads=4 spinningthreads=0 idlethreads=2 runqueue=0 [0 0]
Hello World
SCHED 2014ms: gomaxprocs=2 idleprocs=2 threads=4 spinningthreads=0 idlethreads=2 runqueue=0 [0 0]
Hello World
SCHED 3015ms: gomaxprocs=2 idleprocs=2 threads=4 spinningthreads=0 idlethreads=2 runqueue=0 [0 0]
Hello World
SCHED 4023ms: gomaxprocs=2 idleprocs=2 threads=4 spinningthreads=0 idlethreads=2 runqueue=0 [0 0]
Hello World

● SCHED：调试信息输出标志字符串，代表本行是goroutine调度器的输出；
● 0ms：即从程序启动到输出这行日志的时间；
● gomaxprocs: P的数量，本例有2个P, 因为默认的P的属性是和cpu核心数量默认一致，当然也可以通过GOMAXPROCS来设置；
● idleprocs: 处于idle状态的P的数量；通过gomaxprocs和idleprocs的差值，我们就可知道执行go代码的P的数量；
● threads: os threads/M的数量，包含scheduler使用的m数量，加上runtime自用的类似sysmon这样的thread的数量；
● spinningthreads: 处于自旋状态的os thread数量；
● idlethread: 处于idle状态的os thread的数量；
● runqueue=0： Scheduler全局队列中G的数量；
● [0 0]: 分别为2个P的local queue中的G的数量。

3 GMP场景分析合集

3.1 G1创建G2：优先入本地队列

正在执行的G创建的其他G优先加入本地队列。
P拥有G1，M1获取P后开始运行G1，G1使用go func()创建了G2，为了局部性G2优先加入到P1的本地队列。

在这里插入图片描述

3.2 G1执行完毕调用G2：G0负责调度

G1执行完毕之后，由G0调度从队列中获取G2，然后让P来执行G2.
G1运行完成后(函数：goexit)，M上运行的goroutine切换为G0，G0负责调度时协程的切换（函数：schedule）。从P的本地队列取G2，从G0切换到G2，并开始运行G2(函数：execute)。实现了线程M1的复用。

在这里插入图片描述

3.3 G2开辟过多G

假设每个P的本地队列只能存3个G。G2要创建了6个G，前3个G（G3, G4, G5）已经加入p1的本地队列，p1本地队列满了

在这里插入图片描述

3.4 G2本地已经满继续创建G：打乱放全局队列

G2所绑定的队列已经满了，但此时又创建了新的G，则打乱本地队列的前半部分G和新创建的G一起放入全局队列。（保证：随机，避免新G饥饿。）
G2在创建G7的时候，发现P1的本地队列已满，需要执行负载均衡(把P1中本地队列中前一半的G，还有新创建G转移到全局队列)

  • （实现中并不一定是新的G，如果G是G2之后就执行的，会被保存在本地队列，利用某个老的G替换新G加入全局队列）
  • 这些G被转移到全局队列时，会被打乱顺序。所以G3,G4,G7被转移到全局队列。

在这里插入图片描述

3.5 G2本地未满创G8：放入本地队列

如果在创建新G之后本地队列未满，则先放本地队列。
G2创建G8时，P1的本地队列未满，所以G8会被加入到P1的本地队列。

  • G8加入到P1点本地队列的原因还是因为P1此时在与M1绑定，而G2此时是M1在执行。所以G2创建的新的G会优先放置到自己的M绑定的P上。

在这里插入图片描述

3.6 创建G时会尝试环境其他空闲的M和P去消费新G

创建新G成功后，会尝试换唤醒M和P，让其组合来消费新G。
规定：在创建G时，运行的G会尝试唤醒其他空闲的P和M组合去执行。

  • 假定G2唤醒了M2，M2绑定了P2，并运行G0，但P2本地队列没有G，M2此时为自旋线程（没有G但为运行状态的线程，不断寻找G）。

在这里插入图片描述

3.7 从全局队列到P本地队列的LB（负载均衡）

自旋线程根据LB来从全局队列拉取G进行消费。
M2尝试从全局队列(简称“GQ”)取一批G放到P2的本地队列（函数：findrunnable()）。M2从全局队列取的G数量符合下面的公式

n =  min(len(GQ) / GOMAXPROCS +  1,  cap(LQ) / 2 )

在这里插入图片描述

至少从全局队列取1个g，但每次不要从全局队列移动太多的g到p本地队列，给其他p留点。这是从全局队列到P本地队列的负载均衡。

3.8 M2从M1偷取G

如果M2队列为空，则从M1的本地队列中偷取后半部分G进行消费。（好不容易偷一次）
假设G2一直在M1上运行，经过2轮后，M2已经把G7、G4从全局队列获取到了P2的本地队列并完成运行，全局队列和P2的本地队列都空了,如场景8图的左半部分。

在这里插入图片描述
全局队列已经没有G，那m就要执行work stealing(偷取)：从其他有G的P哪里偷取一半G过来，放到自己的P本地队列。P2从P1的本地队列尾部取一半的G，本例中一半则只有1个G8，放到P2的本地队列并执行。

3.9 自旋线程的最大限制:自旋+运行<=GOMAXPROCS

正在运行的线程+自旋的线程 <= GOMAXPROCS。
G1本地队列G5、G6已经被其他M偷走并运行完成，当前M1和M2分别在运行G2和G8，M3和M4没有goroutine可以运行，M3和M4处于自旋状态，它们不断寻找goroutine。

在这里插入图片描述

为什么要让m3和m4自旋，自旋本质是在运行，线程在运行却没有执行G，就变成了浪费CPU. 为什么不销毁现场，来节约CPU资源。因为创建和销毁CPU也会浪费时间，我们希望当有新goroutine创建时，立刻能有M运行它，如果销毁再新建就增加了时延，降低了效率。当然也考虑了过多的自旋线程是浪费CPU，所以系统中最多有GOMAXPROCS个自旋的线程(当前例子中的GOMAXPROCS=4，所以一共4个P)，多余的没事做线程会让他们休眠。

3.10 G发生系统调用或阻塞

P与阻塞的M解绑，去唤醒休眠中的M进行组合。
假定当前除了M3和M4为自旋线程，还有M5和M6为空闲的线程(没有得到P的绑定，注意我们这里最多就只能够存在4个P，所以P的数量应该永远是M>=P, 大部分都是M在抢占需要运行的P)，G8创建了G9，G8进行了阻塞的系统调用，M2和P2立即解绑，P2会执行以下判断：如果P2本地队列有G、全局队列有G或有空闲的M，P2都会立马唤醒1个M和它绑定，否则P2则会加入到空闲P列表，等待M来获取可用的p。本场景中，P2本地队列有G9，可以和其他空闲的线程M5绑定

在这里插入图片描述

3.11 G发生系统调用或非阻塞

尝试获取之前解绑的P，如果之前的P已经与其他M组合，则尝试从空闲的P队列中获取新P。如果获取失败，则将阻塞结束的G放入全局队列
G8创建了G9，假如G8进行了非阻塞系统调用。

在这里插入图片描述

M2和P2会解绑，但M2会记住P2，然后G8和M2进入系统调用状态。当G8和M2退出系统调用时，会尝试获取P2，如果无法获取，则获取空闲的P，如果依然没有，G8会被记为可运行状态，并加入到全局队列,M2因为没有P的绑定而变成休眠状态(长时间休眠等待GC回收销毁)。

总结：Go调度器很轻量也很简单，足以撑起goroutine的调度工作，并且让Go具有了原生（强大）并发的能力。Go调度本质是把大量的goroutine分配到少量线程上去执行，并利用多核并行，实现更强大的并发。

参考：https://www.yuque.com/aceld/golang/srxd6d

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