Go 调度器与GMP模型

前奏

关于计算机的简单描述

----------- |-----------------用户应用程序(微信、QQ、浏览器)
| 计算机 |-----------操作系统(linux、windows、mac os)
----------- |-----硬件(CPU、内存、显卡、鼠标、键盘、显示器)

由以上文字可以看出，计算机由一堆硬件构成，操作系统运行于硬件的上层，狭义上来考虑，操作系统是为了协调硬件、管理硬件、提供服务。用户应用程序运行于操作系统之上。那么没有操作系统，我们想运行自己的软件能否实现呢？答案是可以的，裸机程序需要自己开发调度策略，管理硬件。

进程、线程、协程

进程是程序的运行实例,将程序加载进内存，就产生了一个进程。
线程是进程的一部分，也是操作系统调度给CPU的最小执行单元，一个进程可以包含多个线程。线程可以分为用户态线程和内核态线程，其分别运行于操作系统用户空间和内核空间。用户态和内核态的出现是为了隔离资源的使用权限。用户态的线程无法直接操作硬件等资源，如想要操作硬件资源，需要切换到内核态去完成执行。用户态到内核态的切换有3种情况：系统调用，中断，异常。当执行完内核态的代码后，会自动回退到用户态继续执行其代码。
协程(co-routine)可以理解成是更加细粒度的线程，其调度策略由应用程序自行指定。Go语言中的协程称作goroutine，其主要在用户态下产生并被调度。协程是依托于线程执行的，只有将协程绑定到线程上，才能执行其代码。

通常情况下32位操作系统中，进程的虚拟内存空间可以达到4GB、64位操作系统下其虚拟内存空间会很充裕。不同进程间的资源不可见。操作系统在调度进程切换时会保存相当多的上下文信息，极其耗费CPU时间。

线程的栈空间大概为2M，该大小无法修改，同一个进程中的共享数据对该进程中的所有线程都是可见的。若想让一个线程内的全局变量只对该线程内可见，可以使用Thread Local Storage（线程局部存储）TLS技术。线程的切换需保存线程的上下文信息(前者说单个进程内的线程切换时；当多个进程间的线程切换时，还要保存进程的相关信息)同时由用户态转换为内核态做切换工作，十分耗费CPU时间。

Go协程的栈空间是可变的，可由2k(默认初始值)增长到1GB(64位操作系统)或250M(32位操作系统)。栈扩容后会将原栈空间的所有值全部复制到新栈中，栈中变量的地址会发生改变。这也许间接的导致了Go语言的普通指针不支持运算操作。协程间可以共享进程的全局变量。协程间切换由协程调度器在用户态完成，只需保存几个寄存器的值即可，非常省时高效。

3种线程模型

1:1 1个用户态线程与1个内核态线程绑定

N:1 多个用户态线程与1个内核态线程绑定

M:N 多个用户态线程与多个内核态线程绑定

Go 语言协程调度器使用的是M:N的模型，即由Go协程调度器将M个协程(非线程)与N个内核线程进行动态绑定，执行代码，N一般为CPU的逻辑核心数。
Go语言淡化了线程的概念。写代码时只能感知到协程的存在，当然这对程序设计是没有任何影响的。

GM调度模型

早期的Go语言版本，使用的是GM调度模型。G代表goroutine，M代表machine(即内核线程)。同时维护了一个全局的G队列。这个队列在访问时需要加一把大锁。

加锁的全局运行队列 [G,G,G,G,G,G,G,G,G,G,G,G,G]

G1-----------\
G2-----------|---------------M0
G3-----------/
G4---------------------------M1
G5---------------------------M2
G6---------------------------M3
如上所示，6个goroutine绑定到了4个内核线程上。若G6在M3线程上运行结束，则M3会去全局队列解锁，然后拿来一个新的G绑定，执行。若G1在运行时发生了阻塞则M0就进入了阻塞状态，G2，G3需等到阻塞结束才有机会被执行到。可以看出早期的Go调度器是非常粗糙的，其调度效率并不高。

GMP调度模型

后期的Go语言改进了GM调度模型，加了一个虚拟的逻辑处理器P(procese)，G仍代表goroutine，M仍代表machine(即内核线程)。

加锁的全局运行队列 [G,G,G,G,G,G,G,G,G,G,G,G,G]

G：goroutine

M0<->P0: 加锁的本地运行队列 [G,G,G,G,G]

M1<->P1: 加锁的本地运行队列 [G,G]

M2<->P2: 加锁的本地运行队列 [G]

M3<->P3: 加锁的本地运行队列 [G,G,G]

某一时刻，1个P只能与1个M进行绑定。一个G可能在多个P的本地运行队列中流转，也有可能被移动到全局运行队列。
M在执行G的时候，会优先从与其绑定的P的结构中查看其runnext指针是否指向一个可被执行的G，若该指针有效，则直接执行该G，否则说明runnext指向空(0)，此时则去P的本地队列中去查找是否有可执行的G，若有则加锁拿一个G后解锁，然后去执行，若没有则去加锁的全局队列中取寻找是否有可用的G，若有，则从全局队列中窃取，按P的个数等分全局运行队列G数量的G，窃取来的G的数量不超过P的本地队列的长度的一半，而后执行。若全局队列中没有G，则去随机选择一个P，在其本地运行队列窃取G，数量为目标队列中已有的G的数量的一半，执行。若其他P中仍没有G，则检查网络协程是否有可以被调度的G。为了保证全局队列中的G会被执行到，在P被调度61次以后，会将本地队列中一般的G加入全局队列，并从全局队列中获得G加入本地队列。若M绑定的P没有可执行的G，则将M与P解绑，M进入阻塞状态。

main与g0,m0,sysmon

main协程是Go程序的主协程，main方法是Go程序的入口。在每个M中有一个g0协程，g0协程其实就是负责调度策略的协程，g0协程会调度其他的G执行。Go程序在启动时，会有g0协程，负责GC的协程，以及一个额外的负责监控Go状态的sysmon线程运行，而后才是main协程及用户的其他协程。g0协程是被一个m0线程所启动的，g0被启动后，m0便负责M应有的责任。

Go调度器

Go 语言协程调度器支持抢占式调度和协作式调度，默认是抢占式调度策略。在Go语言的发展中，调度器的调度算法及实现仍有很大的提升空间，相信Go语言会越做越好。