Go語言的GPM調度器是什麼？

😋我是平也，這有一個專一Gopher技術成長的開源項目「go home」

導讀

相信不少人都據說過Go語言自然支持高併發，緣由是內部有協程（goroutine）加持，能夠在一個進程中啓動成千上萬個協程。那麼，它憑什麼作到如此高的併發呢？那就須要先了解什麼是併發模型。

併發模型

著名的C++專家Herb Sutter曾經說過「免費的午飯已經終結」。爲了讓代碼運行的更快，單純依靠更快的硬件已經沒法獲得知足，咱們須要利用多核來挖掘並行的價值，而併發模型的目的就是來告訴你不一樣執行實體之間是如何協做的。

固然，不一樣的併發模型的協做方式也不盡相同，常見的併發模型有七種：

• 線程與鎖
• 函數式編程
• Clojure之道
• actor
• 通信順序進程（CSP）
• 數據級並行
• Lambda架構

而今天，咱們只講與Go語言相關的併發模型CSP，感興趣的同窗能夠自行查閱書籍《七週七併發模型》。

CSP篇

CSP，全稱Communicating Sequential Processes，意爲通信順序進程，它是七大併發模型中的一種，它的核心觀念是將兩個併發執行的實體經過通道channel鏈接起來，全部的消息都經過channel傳輸。其實CSP概念早在1978年就被東尼·霍爾提出，因爲近來Go語言的興起，CSP又火了起來。

那麼CSP與Go語言有什麼關係呢？接下來咱們來看Go語言對CSP併發模型的實現——GPM調度模型。

GPM調度模型

GPM表明了三個角色，分別是Goroutine、Processor、Machine。

• Goroutine：就是我們經常使用的用go關鍵字建立的執行體，它對應一個結構體g，結構體裏保存了goroutine的堆棧信息
• Machine：表示操做系統的線程
• Processor：表示處理器，有了它才能創建G、M的聯繫

Goroutine

Goroutine就是代碼中使用go關鍵詞建立的執行單元，也是你們熟知的有「輕量級線程」之稱的協程，協程是不爲操做系統所知的，它由編程語言層面實現，上下文切換不須要通過內核態，再加上協程佔用的內存空間極小，因此有着很是大的發展潛力。

go func() {}()
複製代碼

在Go語言中，Goroutine由一個名爲runtime.go的結構體表示，該結構體很是複雜，有40多個成員變量，主要存儲執行棧、狀態、當前佔用的線程、調度相關的數據。還有玩你們很想獲取的goroutine標識，可是很抱歉，官方考慮到Go語言的發展，設置成私有了，不給你調用😏。

type g struct {
	stack struct {
		lo uintptr
		hi uintptr
	} 							// 棧內存：[stack.lo, stack.hi)
	stackguard0	uintptr
	stackguard1 uintptr

	_panic       *_panic
	_defer       *_defer
	m            *m				// 當前的 m
	sched        gobuf
	stktopsp     uintptr		// 指望 sp 位於棧頂，用於回溯檢查
	param        unsafe.Pointer // wakeup 喚醒時候傳遞的參數
	atomicstatus uint32
	goid         int64
	preempt      bool       	// 搶佔信號，stackguard0 = stackpreempt 的副本
	timer        *timer         // 爲 time.Sleep 緩存的計時器

	...
}
複製代碼

Goroutine調度相關的數據存儲在sched，在協程切換、恢復上下文的時候用到。

type gobuf struct {
	sp   uintptr
	pc   uintptr
	g    guintptr
	ret  sys.Uintreg
	...
}
複製代碼

Machine

M就是對應操做系統的線程，最多會有GOMAXPROCS個活躍線程可以正常運行，默認狀況下GOMAXPROCS被設置爲內核數，假若有四個內核，那麼默認就建立四個線程，每個線程對應一個runtime.m結構體。線程數等於CPU個數的緣由是，每一個線程分配到一個CPU上就不至於出現線程的上下文切換，能夠保證系統開銷降到最低。

type m struct {
	g0   *g 
	curg *g
	...
}
複製代碼

M裏面存了兩個比較重要的東西，一個是g0，一個是curg。

• g0：會深度參與運行時的調度過程，好比goroutine的建立、內存分配等
• curg：表明當前正在線程上執行的goroutine。

剛纔說P是負責M與G的關聯，因此M裏面還要存儲與P相關的數據。

type m struct {
  ...
	p             puintptr
	nextp         puintptr
	oldp          puintptr
}
複製代碼

• p：正在運行代碼的處理器
• nextp：暫存的處理器
• old：系統調用以前的線程的處理器

Processor

Proccessor負責Machine與Goroutine的鏈接，它能提供線程須要的上下文環境，也能分配G到它應該去的線程上執行，有了它，每一個G都能獲得合理的調用，每一個線程都再也不渾水摸魚，真是居家必備之良品。

一樣的，處理器的數量也是默認按照GOMAXPROCS來設置的，與線程的數量一一對應。

type p struct {
	m           muintptr

	runqhead uint32
	runqtail uint32
	runq     [256]guintptr
	runnext guintptr
	...
}
複製代碼

結構體P中存儲了性能追蹤、垃圾回收、計時器等相關的字段外，還存儲了處理器的待運行隊列，隊列中存儲的是待執行的Goroutine列表。

三者的關係

首先，默認啓動四個線程四個處理器，而後互相綁定。

這個時候，一個Goroutine結構體被建立，在進行函數體地址、參數起始地址、參數長度等信息以及調度相關屬性更新以後，它就要進到一個處理器的隊列等待發車。

啥，又建立了一個G？那就輪流往其餘P裏面放唄，相信你排隊取號的時候看到其餘窗口沒人排隊也會過去的。

假若有不少G，都塞滿了怎麼辦呢？那就不把G塞處處理器的私有隊列裏了，而是把它塞到全局隊列裏（候車大廳）。

除了往裏塞以外，M這邊還要瘋狂往外取，首先去處理器的私有隊列裏取G執行，若是取完的話就去全局隊列取，若是全局隊列裏也沒有的話，就去其餘處理器隊列裏偷，哇，這麼飢渴，簡直是惡魔啊！

若是哪裏都沒找到要執行的G呢？那M就會由於太失望和P斷開關係，而後去睡覺（idle）了。

那若是兩個Goroutine正在經過channel作一些恩恩愛愛的事阻塞住了怎麼辦，難道M要等他們完事了再繼續執行？顯然不會，M並不稀罕這對Go男女，而會轉身去找別的G執行。

系統調用

若是G進行了系統調用syscall，M也會跟着進入系統調用狀態，那麼這個P留在這裏就浪費了，怎麼辦呢？這點精妙之處在於，P不會傻傻的等待G和M系統調用完成，而會去找其餘比較閒的M執行其餘的G。

當G完成了系統調用，由於要繼續往下執行，因此必需要再找一個空閒的處理器發車。

若是沒有空閒的處理器了，那就只能把G放回全局隊列當中等待分配。

sysmon

sysmon是咱們的保潔阿姨，它是一個M，又叫監控線程，不須要P就能夠獨立運行，每20us~10ms會被喚醒一次出來打掃衛生，主要工做就是回收垃圾、回收長時間系統調度阻塞的P、向長時間運行的G發出搶佔調度等等。

詞條解釋

東尼·霍爾

東尼·霍爾，英國計算機科學家，圖靈獎得主，他設計了牛氣沖天的快速排序算法、霍爾邏輯以及CSP模型。2011年獲頒約翰·馮諾依曼獎。

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