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Golang中协程调度器底层实现( G、M、P)

phpmianshi1年前 (2019-04-06)Golang139

三个必知的核心元素。(G、M、P)
G:Goroutine的缩写,一个G代表了对一段需要被执行的Go语言代码的封装
M:Machine的缩写,一个M代表了一个内核线程,等同于系统线程
P:Processor的缩写,一个P代表了M所需的上下文环境

简单的来说,一个G的执行需要M和P的支持。一个M在与一个P关联之后形成了一个有效的G运行环境【内核线程 + 上下文环境】。每个P都会包含一个可运行的G的队列 (runq )。
 

G (goroutine):

G是goroutine的头文字, goroutine可以解释为受管理的轻量线程, goroutine使用go关键词创建。

举例来说,  func main() { go other() },  这段代码创建了两个goroutine。
一个是main, 另一个是other, 【注意】:main本身也是一个goroutine。

goroutine的新建, 休眠, 恢复, 停止都受到go运行时的管理。
goroutine执行异步操作时会进入休眠状态, 待操作完成后再恢复, 无需占用系统线程。
goroutine新建或恢复时会添加到运行队列, 等待M取出并运行。

M (machine):

M可以运行两种代码:

    go代码, 即goroutine, M运行go代码需要一个P
    原生代码, 例如阻塞的syscall, M运行原生代码不需要P

M会从运行队列中取出G, 然后运行G, 如果G运行完毕或者进入休眠状态, 则从运行队列中取出下一个G运行, 周而复始。
有时候G需要调用一些无法避免阻塞的原生代码, 这时M会释放持有的P并进入阻塞状态, 其他M会取得这个P并继续运行队列中的G.
go需要保证有足够的M可以运行G, 不让CPU闲着, 也需要保证M的数量不能过多。通常创建一个M的原因是由于没有足够的M来关联P并运行其中可运行的G。而且运行时系统执行系统监控的时候,或者GC的时候也会创建M。

单个Go程序所使用的M的最大数量是可以被设置的。在我们使用命令运行Go程序时候,有一个引导程序先会被启动的。在这个歌引导程序中会为Go程序的运行简历必要的环境。引导程序对M的数量进行初始化设置,默认是 最大值 1W 【即是说,一个Go程序最多可以使用1W个M,即:理想状态下,可以同时有1W个内核线程被同时运行】。使用 runtime/debug.SetMaxThreads() 函数设置。

P (process):

P是process的头文字, 代表M运行G所需要的资源。
一些讲解协程的文章把P理解为cpu核心, 其实这是错误的.
虽然P的数量默认等于cpu核心数, 但可以通过环境变量GOMAXPROC修改, 在实际运行时P跟cpu核心并无任何关联。

P也可以理解为控制go代码的并行度的机制,
如果P的数量等于1, 代表当前最多只能有一个线程(M)执行go代码,
如果P的数量等于2, 代表当前最多只能有两个线程(M)执行go代码.
执行原生代码的线程数量不受P控制。

因为同一时间只有一个线程(M)可以拥有P, P中的数据都是锁自由(lock free)的, 读写这些数据的效率会非常的高。P是使G能够在M中运行的关键。Go运行时系统适当地让P与不同的M建立或者断开联系,以使得P中的那些可运行的G能够在需要的时候及时获得运行时机。

 

一句话概括三者关系:

  • G需要绑定在M上才能运行;

  • M需要绑定P才能运行;

综上所述,一个G的执行需要M和P的支持。一个M在于一个P关联之后就形成一个有效的G运行环境 【内核线程 +  上下文环境】。每个P都含有一个 可运行G的队列【runq】。队列中的G会被一次传递给本地P关联的M并且获得运行时机。

M 与 P 总是一对一,P 与 G 总是 一对多, 而 一个 G 最终由 一个 M 来负责运行。

 

线程分为内核态线程和用户态线程,用户态线程需要绑定内核态线程,CPU并不能感知用户态线程的存在,它只知道它在运行1个线程,这个线程实际是内核态线程。

用户态线程实际有个名字叫协程(co-routine),为了容易区分,我们使用协程指用户态线程,使用线程指内核态线程。

协程跟线程是有区别的,线程由CPU调度是抢占式的,协程由用户态调度是协作式的,一个协程让出CPU后,才执行下一个协程。

 

调度器的有两大思想

复用线程:协程本身就是运行在一组线程之上,不需要频繁的创建、销毁线程,而是对线程的复用。在调度器中复用线程还有2个体现:1)work stealing,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,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,当GOMAXPROCS大于1时,就最多有GOMAXPROCS个线程处于运行状态,这些线程可能分布在多个CPU核上同时运行,使得并发利用并行。另外,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。

调度器的两小策略

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。


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