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标题: 【Go并发编程】Goroutine 调度器揭秘：从 GMP 模子到 Work Stealing 算法 [打印本页]
作者: 惊雷无声    时间: 2025-2-19 14:17
标题: 【Go并发编程】Goroutine 调度器揭秘：从 GMP 模子到 Work Stealing 算法
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  在 Go 语言中，Goroutine 是一种轻量级的并发实行单元，它使得并发编程变得简朴高效。而 Goroutine 的高效调度机制是 Go 语言在并发处理上的一大亮点。本文将深入剖析 Go 语言的 Goroutine 调度器，从 GMP 模子到 Work Stealing 算法，带你一探究竟。
一、Goroutine 调度器的配景

Go 语言的并发模子基于 Goroutine，它是一种轻量级的线程，由 Go 运行时（runtime）主动管理。Goroutine 的调度机制决定了多个 Goroutine 怎样高效地映射到操作体系线程上实行。与传统线程（Thread）相比具有以下上风：
但是Goroutine本质上是用户态线程，需要依赖GMP调度器将其映射到操作体系线程（M）实行。
二、GMP 模子：Goroutine 调度的焦点

Goroutine 的调度基于 GMP 模子，即 Goroutine（G）、Machine（M）和 P（Processor）的组合。这个模子实现了从 N:1（用户态线程到内核态线程）到 N:M（用户态线程到内核态线程的灵活映射）的调度。
1. Goroutine（G）

Goroutine 是用户界说的协程，它代表了并发实行的任务。创建 Goroutine 的底层方法是newproc 函数，它会将 Goroutine 放入 P 的当地队列中。假如当地队列已满，则放入全局队列中。
  1. go func() {
  2.     // 任务代码
  3. }()
复制代码
2. Machine（M）

Machine 代表操作体系线程，是 Go 运行时与操作体系交互的接口。Go 运行时会根据需要创建和烧毁 M，以适应不同的并发场景。
3. Processor（P）

Processor 是 Go 运行时中的调度上下文，它负责管理 Goroutine 的调度。每个 P 有本身的当地队列，用于存储待实行的 Goroutine。
4.GMP模子示意图


通过该示意图可以了解到完整的GMP模子关系。
全局队列：当地队列（Processor调度器管理）满了的环境下，将会把新创建的Goroutine加入到全局队列中排队等待实行。
当地队列：存放即将实行的Goroutine，每个processor中的goroutine将并行实行。
Goroutine（G）：图中的每个圆形图标G就是代表一个Groutine。
Processor（P）：管理当前调度器内的当地队列，并负责管理 Goroutine 的调度，用于存储待实行的 Goroutine。processor和groutine是N:M的关系。
内核线程（M）：每个M代表了一个内核线程，操作体系调度器负责把内核线程分配到CPU的核上实行。
三、调度器的工作流程

Go 调度器的焦点任务是从队列中获取可实行的 Goroutine，并将其分配给可用的 M 实行。
1. 当地队列

每个 P 都有一个当地队列，调度器会优先从当地队列中获取 Goroutine 实行。假如当地队列为空，则会尝试从全局队列获取。
2. 全局队列

全局队列是所有 P 共享的队列，用于存储未被分配的 Goroutine。当当地队列为空时，调度器会尝试从全局队列中获取 Goroutine。
3. Work Stealing（工作窃取）

假如当地队列和全局队列都为空，调度器会接纳 Work Stealing 算法，从其他 P 的当地队列中“偷取” Goroutine。这种策略可以实现线程之间的负载均衡。
  1. func runqsteal(pp, p2 *p, stealRunNextG bool) *g {
  2.     t := pp.runqtail
  3.     n := runqgrab(p2, &pp.runq, t, stealRunNextG)
  4.     if n == 0 {
  5.         return nil
  6.     }
  7.     n--
  8.     gp := pp.runq[(t+n)%uint32(len(pp.runq))].ptr()
  9.     if n == 0 {
  10.         return gp
  11.     }
  12.     h := atomic.LoadAcq(&pp.runqhead)
  13.     if t-h+n >= uint32(len(pp.runq)) {
  14.         throw("runqsteal: runq overflow")
  15.     }
  16.     atomic.StoreRel(&pp.runqtail, t+n)
  17.     return gp
  18. }
复制代码
四、抢占式调度

Go 调度器接纳抢占式调度策略，以防止某个 Goroutine 占用过多 CPU 资源。在 Go 1.14 之后，调度器在任何安全点都可以进行抢占。
  1. func findRunnable() (gp *g, inheritTime, tryWakeP bool) {
  2.     mp := getg().mtop
  3.     pp := mp.p.ptr()
  4.     // 每61次调度周期就检查一次全局G队列
  5.     if pp.schedtick%61 == 0 && sched.runqsize > 0 {
  6.         lock(&sched.lock)
  7.         gp := globrunqget(pp, 1)
  8.         unlock(&sched.lock)
  9.         if gp != nil {
  10.             return gp, false, false
  11.         }
  12.     }
  13.     // 本地队列
  14.     if gp, inheritTime := runqget(pp); gp != nil {
  15.         return gp, inheritTime, false
  16.     }
  17.     // 全局队列
  18.     if sched.runqsize != 0 {
  19.         lock(&sched.lock)
  20.         gp := globrunqget(pp, 0)
  21.         unlock(&sched.lock)
  22.         if gp != nil {
  23.             return gp, false, false
  24.         }
  25.     }
  26.     // 工作窃取
  27.     if mp.spinning || 2*sched.nmspinning.Load() < gomaxprocs-sched.npidle.Load() {
  28.         if !mp.spinning {
  29.             mp.becomeSpinning()
  30.         }
  31.         gp, inheritTime, _, _, _ := stealWork(now)
  32.         if gp != nil {
  33.             return gp, inheritTime, false
  34.         }
  35.     }
  36.     return nil, false, false
  37. }
复制代码
五、协作式调度

除了抢占式调度，Go 还支持协作式调度。Goroutine 可以通过调用runtime.Gosched() 函数主动让出 CPU 的实行权。
  1. func main() {
  2.     go func() {
  3.         for i := 0; i < 10; i++ {
  4.             fmt.Println("Goroutine 1")
  5.             runtime.Gosched()
  6.         }
  7.     }()
  8.     for i := 0; i < 10; i++ {
  9.         fmt.Println("Goroutine 2")
  10.     }
  11. }
复制代码
六、总结

Go 语言的 Goroutine 调度机制通过 GMP 模子和 Work Stealing 算法实现了高效的并发实行。抢占式调度和协作式调度策略确保了 Goroutine 的公平实行，而 Work Stealing 算法则进一步提高了多核处理器上的负载均衡。通过这些机制，Go 运行时可以或许高效地利用体系资源，实现高性能的并发编程。

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