Goroutine调度机制

一、什么是Goroutine？

Goroutine是go中最为关键的一个设计，在go提供的各种基础包中都能看到它的身影，goroutine实际上就是go语言提供的协程，但是此处要注意，这里的协程并不是传统意义上的协程。传统意义上的协程是指用户态线程，但是go所实现的协程实际上是两级线程模型，关于线程模型可以参考（https://blog.csdn.net/gatieme/article/details/51892437添加链接描述）。

二、GPM模型

Goroutine的调度可以用GPM模型来解释，如图，以下是模型的解释：

• G
  Goroutine，每个Goroutine对应一个G结构体，G存储Goroutine的运行堆栈、状态以及任务函数，可重用。
• P
  Processor，逻辑处理器，G只有绑定到P上才可以被调度，存放Goroutine队列（local runqueue），P的数量决定了系统真正可并行的最大G数量，P的数量由GOMAXPROCS()决定。
• M
  OS线程，G所依赖的系统级线程，亦即真正执行计算的资源，M里面维护了小对象内存，当前执行的goroutine，以及其他很多信息。
• Local Runqueue
  由P所维护的G队列，每次从local runqueue中取出可执行的Goroutine
• Global Runbqueue
  由go调度器所维护的全局G队列，当Local Runqueue中没有G的时候，P就会从Global Runqueue中取出可执行的G

三、Goroutine调度机制

明白以上名词的含义后，接下来就是真正的Goroutine的调度机制了。

首先需要知道G-P-M各自是如何被创建出来的

1. G 在可执行函数前面加关键字go即可，这样便创建出了一个Goroutine，创建出的Goroutine会进入P所维护的Local Runqueue
2. P 指定GOMAXPROCS之后，会在程序运行之初创建好对应数目的P
3. M 当满足以下三个条件以后，M就会被创建：
   队列中G太多
   系统级线程M太少
   有空闲的P

M&P调度

P是在程序运行之初就创建好的，数量由GOMAXPROCS决定（最大256个），从go1.5以后默认即CPU的核数，1.5之前默认是一个。P绑定到M上执行运算，当一个OS线程也就是一个M陷入阻塞的时候，会释放出P，P转而寻找另一个M（M可能是被新创建，也可能来自于线程缓存），继续执行其他G，如果没有其他的idle M，但是P的local runqueue中仍有G需要执行，就会创建一个新的M。

当上述阻塞完成后，G会尝试寻找一个idle的P进入它的Local Runqueue中恢复执行，如果没有找到，G就会进入Global Runqueue，等待其他P从队列中取出。

对M&P对调度有了一个大概的了解以后，我们再继续深入理解上述的阻塞，什么情况下会阻塞呢？如下[1]：

1. blocking syscall (for example opening a file)
2. network input
3. channel operations
4. primitives in the sync package

这四种场景又可以分为两种类型：
用户态阻塞/唤醒
当goroutine因为channel操作或者network I/O而阻塞时（实际上golang已经用netpoller实现了goroutine网络I/O阻塞不会导致M被阻塞，仅阻塞G，这里仅仅是举个栗子），对应的G会被放置到某个wait队列(如channel的waitq)，该G的状态由_Gruning变为_Gwaitting，而M会跳过该G尝试获取并执行下一个G，如果此时没有runnable的G供M运行，那么M将解绑P，并进入sleep状态；当阻塞的G被另一端的G2唤醒时（比如channel的可读/写通知），G被标记为runnable，尝试加入G2所在P的runnext，然后再是P的Local队列和Global队列。

系统调用阻塞
当G被阻塞在某个系统调用上时，此时G会阻塞在_Gsyscall状态，M也处于 block on syscall 状态，此时的M可被抢占调度：执行该G的M会与P解绑，而P则尝试与其它idle的M绑定，继续执行其它G。如果没有其它idle的M，但P的Local队列中仍然有G需要执行，则创建一个新的M；当系统调用完成后，G会重新尝试获取一个idle的P进入它的Local队列恢复执行，如果没有idle的P，G会被标记为runnable加入到Global队列。

P&G调度

G维护在P所维持的Local Runqueue以及调度器维持的Global Runqueue中。
一、首先需要搞清楚Local Runqueue的入队出队操作。

• 出队
  首先讲出队，每次执行一个G，P会从Local Runqueue中获取一个G执行，此为出队操作。
• 入队
  每次用go关键字创建出来的Goroutine会进入P的Local Runqueue中，包括上述用户态阻塞后被唤醒的G的操作为入队操作。
• 其次，当一个P的Local Runqueue中没有可供执行的G后，该P会随机从其他P的队列中拿一半的G出来，这叫work stealing算法，这又是另一种入队出队操作。

二、然后讲Global Runqueue的入队出队操作

• 入队
  当M所运行的阻塞状态的G重新唤醒后，如果没有获取到空闲的P，这个G就会进入Global Runqueue中，此为入队。
• 出队
  其他P没有可执行的G之后描绘直接从Global Runqueue中取，此为出队。

总结：P调度G的时候，首先从P的Local Runqueue中获取G，如果Local Queue中没有的话，就从Global Runqueue中获取，如果Global Runqueue中也没有的话，就随机从其他P的Local Runqueue中偷一半的G出来。