[TOC] ## CSP 模型？ CSP 模型是“以通信的方式来共享内存”，不同于传统的多线程通过共享内存来通信。用于描述两个独立的并发实体通过共享的通讯 channel (管道)进行通信的并发模型。 ## GMP ### GMP解释 G：Goroutine，实际上我们每次调用`go func`就是生成了一个 G。 P：Processor，处理器，一般 P 的数量就是处理器的核数，可以通过`GOMAXPROCS`进行修改。 M：Machine，系统线程。 在 GPM 模型，有一个全局队列（Global Queue）：存放等待运行的 G，还有一个 P 的本地队列：也是存放等待运行的 G，但数量有限，不超过 256 个。 ### GMP模型 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。 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**：线程想运行任务就得获取P，从P的本地队列获取G，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1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: * go语言本身的限制：go程序启动时，会设置M的最大数量，默认10000.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，设置M的最大数量 * 一个M阻塞了，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何时创建：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何时创建：没有足够的M来关联P并运行其中的可运行的G。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，而没有空闲的，就会去创建新的M。 ### 调度器的设计策略 **复用线程**：避免频繁的创建、销毁线程，而是对线程的复用。 1）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）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。 **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。 **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。 **全局G队列**：在新的调度器中依然有全局G队列，但功能已经被弱化了，当M执行work stealing从其他P偷不到G时，它可以从全局G队列获取G。 ### GMP调度流程  1、 GPM 的调度流程从 go func()开始创建一个 goroutine,新建的G优先放入P的本地队列保存待执行的 goroutine（流程 2），当 M 绑定的 P 的的局部队列已经满了之后就会把 goroutine 放到全局队列（流 程 2-1） 2、每个 P 和一个 M 绑定，M 是真正的执行 P 中 goroutine 的实体（流程 3）， M 从绑定的 P 中的局部队列获取 G 来执行 3、当 M 绑定的 P 的局部队列为空时，M 会从全局队列获取到本地队列来执行 G （流程 3.1），当从全局队列中没有获取到可执行的 G 时候，M 会从其他 P 的局部队列中偷取 G 来执行（流程 3.2），这种从其他 P 偷的方式称为 work stealing 4、一个M调度G执行的过程是一个循环机制 5、 当 G 因系统调用（syscall）阻塞时会阻塞 M，此时 P 会和 M 解绑即 hand off，并寻找新的空闲的 M，若没有空闲的 M 就会新建一个 M（流程 5.1） 6、当 G 因 channel 或者 network I/O 阻塞时，不会阻塞 M，M 会寻找其他的 G；当阻塞的 G 恢复后会重新进入 runnable 进入 P 队列等待执 行（流程 5.3） 7、 当M系统调用结束时候，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，则将G放入全局队列，等待被其他的P调度。然后M将进入缓存池睡眠。 ### GMP 中 work stealing 机制 获取 P 本地队列，当从绑定 P 本地 runq 上找不到可执行的 g，尝试从全局链 表中拿，再拿不到从 netpoll 和事件池里拿，最后会从别的 P 里偷任务。P 此时去唤醒一个 M。P 继续执行其它的程序。M 寻找是否有空闲的 P，如果有则 将该 G 对象移动到它本身。接下来 M 执行一个调度循环（调用 G 对象->执行-> 清理线程→继续找新的 Goroutine 执行） ### hand off 机制 当本线程 M 因为 G 进行的系统调用阻塞时，线程释放绑定的 P，把 P 转移给其 他空闲的 M 执行。 细节：当发生上线文切换时，需要对执行现场进行保护，以便下次被调度执行 时进行现场恢复。Go 调度器 M 的栈保存在 G 对象上，只需要将 M 所需要的寄存 器（SP、PC 等）保存到 G 对象上就可以实现现场保护。当这些寄存器数据被保 护起来，就随时可以做上下文切换了，在中断之前把现场保存起来。如果此时 G 任务还没有执行完，M 可以将任务重新丢到 P 的任务队列，等待下一次被调度 执行。当再次被调度执行时，M 通过访问 G 的 vdsoSP、vdsoPC 寄存器进行现场 恢复（从上次中断位置继续执行）。 ### **抢占式调度是如何抢占的** #### 协作式的抢占式调度 1. 如果 sysmon 监控线程发现有个协程 A 执行之间太长了（或者 gc 场景，或者 stw 场景），那么会友好的在这个 A 协程的某个字段设置一个抢占标记 ； 2. 协程 A 在 call 一个函数的时候，会复用到扩容栈（morestack）的部分逻辑，检查到抢占标记之后，让出 cpu，切到调度主协程里； 之所以说 v1.2 的抢占式调用是临时的优化方案，是因为这种抢占式调度是基于协作的。在一些的边缘场景下，协程还是在会独自占用整个线程无法让出。 从上面的流程中，你应该可以注意到，A 调度权被抢占有个前提：A 必须主动 call 函数，这样才能有走到 morestack 的机会。 等着主动让出，会出现 #### 基于信号的抢占式调度 不管是否愿意让出cpu只要运行超过20ms，就会发现号强行抢占cpu >极客时间的解释 在任何情况下，Go 运行时并行执行（注意，不是并发）的 goroutines 数量是 小于等于 P 的数量的。为了提高系统的性能，P 的数量肯定不是越小越好，所 以官方默认值就是 CPU 的核心数，设置的过小的话，如果一个持有 P 的 M， 由于 P 当前执行的 G 调用了 syscall 而导致 M 被阻塞，那么此时关键点： GO 的调度器是迟钝的，它很可能什么都没做，直到 M 阻塞了相当长时间以 后，才会发现有一个 P/M 被 syscall 阻塞了。然后，才会用空闲的 M 来强这 个 P。通过 sysmon 监控实现的抢占式调度，最快在 20us，最慢在 10-20ms 才 会发现有一个 M 持有 P 并阻塞了。操作系统在 1ms 内可以完成很多次线程调 度（一般情况 1ms 可以完成几十次线程调度），Go 发起 IO/syscall 的时候执 行该 G 的 M 会阻塞然后被 OS 调度走，P 什么也不干，sysmon 最慢要 10-20ms 才能发现这个阻塞，说不定那时候阻塞已经结束了，这样宝贵的 P 资源就这么 被阻塞的 M 浪费了。 ``` runtime.GOMAXPROCS(1) fmt.Println("The program starts ...") go func() { for { } }() time.Sleep(time.Second) fmt.Println("I got scheduled!") ``` 这段代码在1.14之前就会死循环，在之后就会直接跳出 **基于信号的抢占式调度，抢占也只会在垃圾回收扫描任务时触发** ### GMP 调度过程中存在哪些阻塞 1. I/O，select 2. block on syscall 3. channel 4. 等待锁 5. runtime.Gosched(） ### Sysmon 有什么作用 Sysmon 也叫监控线程，变动的周期性检查，好处 * 释放闲置超过 5 分钟的 span 物理内存； * 如果超过 2 分钟没有垃圾回收，强制执行； * 将长时间未处理的 netpoll 添加到全局队列； * 向长时间运行的 G 任务发出抢占调度（超过 10ms 的 g，会进行 retake）； * 收回因 syscall 长时间阻塞的 P； ### G-M-P的数量关系 * M：有限制，默认数量限制是 10000，可调整。（debug.SetMaxThreads 设置） * G：没限制，但受内存影响。 ~~~ 假设一个 Goroutine 创建需要 4k： 4k * 80,000 = 320,000k ≈ 0.3G内存 4k * 1,000,000 = 4,000,000k ≈ 4G内存 以此就可以相对计算出来一台单机在通俗情况下，所能够创建 Goroutine 的大概数量级别。 注：Goroutine 创建所需申请的 2-4k 是需要连续的内存块。 ~~~ * P：受本机的核数影响，可大可小，不影响 G 的数量创建。（**`GOMAXPROCS`**） ### 调度器的生命周期  特殊的M0和G0 **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。