Golang 的 協程調度機制 與 GOMAXPROCS 性能調優

做者：林冠宏 / 指尖下的幽靈

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前序

正確地認識 G , M , P 三者的關係，可以對協程的調度機制有更深刻的理解！ 本文將會完整介紹完 go 協程的調度機制，包含：

• 調度對象的主要組成
• 各對象的關係 與 分工
• gorutine 協程是如何被執行的
• 內核線程 sysmon 對 gorutine 的管理
• gorutine 協程中斷掛起 與 恢復
• GOMAXPROCS 如何影響 go 的併發性能

目錄

• 調度器的三個基本對象
• G，M，P 三者的關係與特色
• 局部 G 隊列與全局 G 隊列的關係
• Gorutine從入隊到執行
• 解答問題 ①
• 中斷後的恢復
• GOMAXPROCS 性能調優

調度器的三個基本對象：

Golang 簡稱 Go，Go 的協程(goroutine) 和咱們常見的線程(Thread)同樣，擁有其調度器。

• G (Goroutine)，表明協程，也就是每次代碼中使用 go 關鍵詞時候會建立的一個對象
• M (Work Thread)，工做線程
• P (Processor)，表明一個處理器，又稱上下文

G-M-P三者的關係與特色：

• 每個運行的 M 都必須綁定一個 P，線程M 建立後會去檢查並執行G (goroutine)對象
• 每個 P 保存着一個協程G 的隊列
• 除了每一個 P 自身保存的 G 的隊列外，調度器還擁有一個全局的 G 隊列
• M 從隊列中提取 G，並執行
• P 的個數就是GOMAXPROCS（最大256），啓動時固定的，通常不修改
• M 的個數和 P 的個數不必定同樣多（會有休眠的M 或 P不綁定M ）（最大10000）
• P 是用一個全局數組（255）來保存的，而且維護着一個全局的 P 空閒鏈表

局部G隊列與全局G隊列的關係

• 全局G任務隊列會和各個本地G任務隊列按照必定的策略互相交換。沒錯，就是協程任務交換
• G任務的執行順序是，先從本地隊列找，本地沒有則從全局隊列找
• 轉移
  • 局部與全局，全局G個數 / P個數
  • 局部與局部，一次性轉移一半

Gorutine從入隊到執行

1. 當咱們建立一個G對象，就是 gorutine，它會加入到本地隊列或者全局隊列
2. 若是還有空閒的P，則建立一個M 綁定該 P ，注意！這裏，P 此前必須還沒綁定過M 的，不然不知足空閒的條件。細節點：
   1. 先找到一個空閒的P，若是沒有則直接返回
   2. P 個數不會佔用超過本身設定的cpu個數
   3. P 在被 M 綁定後，就會初始化本身的 G 隊列，此時是一個空隊列
   4. 注意這裏的一個點！
      • 不管在哪一個 M 中建立了一個 G，只要 P 有空閒的，就會引發新 M 的建立
      • 不需考慮當前所在 M 中所綁的 P 的 G 隊列是否已滿
      • 新建立的 M 所綁的 P 的初始化隊列會從其餘 G 隊列中取任務過來
   5. 這裏留下第一個問題：

      若是一個G任務執行時間太長，它就會一直佔用 M 線程，因爲隊列的G任務是順序執行的，其它G任務就會阻塞，如何避免該狀況發生？ --①

3. M 會啓動一個底層線程，循環執行能找到的 G 任務。這裏的尋找的 G 從下面幾方面找：
   • 當前 M 所綁的 P 隊列中找
   • 去別的 P 的隊列中找
   • 去全局 G 隊列中找
4. G任務的執行順序是，先從本地隊列找，本地沒有則從全局隊列找
5. 程序啓動的時候，首先跑的是主線程，而後這個主線程會綁定第一個 P
6. 入口 main 函數，實際上是做爲一個 goroutine 來執行

解答問題-①

協程的切換時間片是10ms，也就是說 goroutine 最多執行10ms就會被 M 切換到下一個 G。這個過程，又被稱爲 中斷，掛起

原理：

go程序啓動時會首先建立一個特殊的內核線程 sysmon，用來監控和管理，其內部是一個循環：

1. 記錄全部 P 的 G 任務的計數 schedtick，schedtick會在每執行一個G任務後遞增

2. 若是檢查到 schedtick 一直沒有遞增，說明這個 P 一直在執行同一個 G 任務，若是超過10ms，就在這個G任務的棧信息裏面加一個 tag 標記

3. 而後這個 G 任務在執行的時候，若是遇到非內聯函數調用，就會檢查一次這個標記，而後中斷本身，把本身加到隊列末尾，執行下一個G

4. 若是沒有遇到非內聯函數 調用的話，那就會一直執行這個G任務，直到它本身結束；若是是個死循環，而且 GOMAXPROCS=1 的話。那麼一直只會只有一個 P 與一個 M，且隊列中的其餘 G 不會被執行！

例子，下面的這段代碼，hello world 不會被輸出

func main(){
    runtime.GOMAXPROCS(1)
    go func(){
    	fmt.Println("hello world")
    	// panic("hello world")  // 強制觀察輸出
    }()
    go func(){
    	for {
            // fmt.Println("aaa")  // 非內聯函數，這行註釋打開，將致使 hello world 的輸出
    	}
    }()
    select {}
}

中斷後的恢復

1. 中斷的時候將寄存器裏的棧信息，保存到本身的 G 對象裏面
2. 當再次輪到本身執行時，將本身保存的棧信息複製到寄存器裏面，這樣就接着上次以後運

GOMAXPROCS--性能調優

看完上面的內容，相信你已經知道，GOMAXPROCS 就是 go 中 runtime 包的一個函數。它設置了 P 的最多的個數。這也就直接致使了 M 最多的個數是多少，而 M 的個數就決定了各個 G 隊列能同時被多少個 M 線程來進行調取執行！

故，咱們通常將 GOMAXPROCS 的個數設置爲 CPU 的核數，且須要注意的是：

• go 1.5 版本以前的 GOMAXPROCS 默認是 1
• go 1.5 版本以後的 GOMAXPROCS 默認是 Num of cpu