深入理解GMP模型

1、GMP模型的设计思想

1）、GMP模型

GMP分别代表：

• G：goroutine，Go协程，是参与调度与执行的最小单位
• M：machine，系统级线程
• P：processor，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

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

1. 全局队列（Global Queue）：存放等待运行的G。全局队列可能被任意的P去获取里面的G，所以全局队列相当于整个模型中的全局资源，那么自然对于队列的读写操作是要加入互斥动作的
2. P的本地队列：同全局队列类似，存放的也是等待运行的G，存的数量有限，不超过256个。新建G’时，G’优先加入到P的本地队列，如果队列满了，则会把本地队列中一半的G移动到全局队列
3. 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
4. M：线程想运行任务就要获取P，从P的本地队列获取G，当P队列为空时，M也会尝试从全局队列拿一批G放到P的本地队列，或从其他P的本地队列偷一半放到自己P的本地队列。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

goroutine调度器和OS调度器是通过M结合起来的，每个M都代表了一个内核线程，OS调度器负责把内核线程分配到CPU的核上执行

有关P和M的个数问题：

1）P的数量由启动时环境变量$GOMAXPROCS或者是由runtime的方法GOMAXPROCS()决定。这意味着在程序执行的任意时刻都只有$GOMAXPROCS个goroutine在同时运行

2）M的数量由Go语言本身的限制决定，Go程序启动时会设置M的额最大数量，默认10000个，但是内核很难支持这么多的线程数，所以这个限制可以忽略。runtime/debug中的SetMaxThreads()函数可设置M的最大数量，当一个M阻塞了时会创建新的M

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：

1）P创建的时机在确定了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

2）M创建的时机是在当没有足够的M来关联P并运行其中可运行的G的时候。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，如果此时没有空闲的M，就会去创建新的M

2）、调度器的设计策略

策略一：复用线程

避免频繁的创建、销毁线程，而是复用线程

1）偷取（work stealing）机制

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）移交（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

策略二：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。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

策略三：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

策略四：全局G队列

当P的本地队列为空时，优先从全局G队列获取，如果全局队列为空时则通过work stealing机制从其他P的本地队列偷取G

3）、go func()调度流程

从上图可以分析出几个结论：

1. 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，就会从其他的MP组合偷取一个可执行的G来执行
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，然后再创建一个新的操作系统线程（如果有空闲的线程可用就复用空闲线程）来服务这个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

4）、调度器的生命周期

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，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

package main

import "fmt"

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

针对上面的代码对调度器里面的结构做一个分析：

1. runtime创建最初的M0和gourtine G0，并把两者关联
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gourtine，称它为main gourtine吧，然后把main gourtine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 gourtine
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gourtine执行之前都是为调度器做准备工作，runtime.main的gourtine运行，才是调度器的真正开始，直到runtime.main结束而结束

2、Go调度器调度场景过程全解析

1）、场景1

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

2）、场景2

G1运行完成后（函数：goexit），M上运行的gourtine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

3）、场景3

假设每个P的本地队列只能存3个G。G2要创建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

4）、场景4

G2在创建G7的时候，发现P1的本地队列已满，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

5）、场景5

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的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

6）、场景6

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此时为自选线程（没有G但为运行状态的线程，不断寻找G）

7）、场景7

M2尝试从全局队列取一批G放到P2的本地队列（函数：findrunnable()）。M2从全局队列取的G数量符合公式：n = min(len(GQ) / GOMAXPROCS + 1, cap(LQ) / 2 )

相关源码参考：

// 从全局队列中偷取,调用时必须锁住调度器
func globrunqget(_p_ *p, max int32) *g {
	// 如果全局队列中没有g直接返回
	if sched.runqsize == 0 {
		return nil
	}

	// per-P的部分,如果只有一个P的全部取
	n := sched.runqsize/gomaxprocs + 1
	if n > sched.runqsize {
		n = sched.runqsize
	}

	// 不能超过取的最大个数
	if max > 0 && n > max {
		n = max
	}

	// 计算能不能在本地队列中放下n个
	if n > int32(len(_p_.runq))/2 {
		n = int32(len(_p_.runq)) / 2
	}

	// 修改本地队列的剩余空间
	sched.runqsize -= n
	// 拿到全局队列队头g
	gp := sched.runq.pop()
	// 计数
	n--

	// 继续取剩下的n-1个全局队列放入本地队列
	for ; n > 0; n-- {
		gp1 := sched.runq.pop()
		runqput(_p_, gp1, false)
	}
	return gp
}

至少从全局队列取一个G，但每次不要从全局队列移动太多的G到P的本地队列，给其他P留一点

假定场景中一共有4个P（GOMAXPROCS设置为4，那么允许最多就能用4个P来供M使用）。所以M2只能从全局队列取1个G（即G3）放到P2本地队列，然后完成从G0到G3的切换，运行G3

8）、场景8

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

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那里偷取一半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，本例中一半则只有一个G8，放到P2的本地队列并执行

9）、场景9

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分别运行G2和G8，M3和M4没有gourtine可以运行，M3和M4处于自旋状态，它们不断寻找gourtine

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，来解决CPU资源。因为创建和销毁CPU也会浪费时间，希望当有新gourtine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它们休眠

10）、场景10

假定当前除了M3和M4为自旋线程，还有M5和M6为空闲线程（没有得到P的绑定，注意这里最多就只能存在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队列，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

11）、场景11

G8创建了G9，假如G8进行了非阻塞系统调用

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）

参考：

Golang的协程调度器原理及GMP设计思想