Go GPM 模型

线程与goroutine

goroutine属于用户态线程；传统线程是属于内核态线程，由操作系统调度。

下面主要从内存占用，上下文切换两个角度描述：

线程

线程是操作系统调度的基本单位，受操作系统调度器调度做线程的上下文切换。

进程控制块PCB，或者说线程控制块TCB 是内核的数据结构，控制着线程运行和调度的信息。记录如线程ID、线程状态、寄存器信息、程序计数器、调度优先级、用户栈和内核栈信息。

  1. 上下文切换

    陷入内核，依赖众多寄存器保留现场，还原现场

  2. 内存占用

    一个线程的内存占用（线程共享进程的地址空间），主要包括用户栈和内核栈的大小分配。

    • 操作系统调参： ulimit -s
    • 虚拟机如 Java虚拟机 JVM对线程栈内存控制参数：-Xss=512K

goroutine

goroutine 是协程的思路，可以理解是用户态线程。

  1. 上下文切换

    不需要陷入内核，应用层面做调度，上下文切换更加轻量。当然执行时，还是要依赖操作系统的线程。

  2. 内存占用

    一个 goroutine 的栈内存占用是 2 KB（不够用自动扩容），相比线程占用少的多。因此同样配置的机器，比如线程开几千个可能就榨干机器性能了，goroutine可能开十万个。

GPM 调度模型

GPM 各字母初步认识

GPM 含义
G goroutine，用户态调度和执行单位
P processer 处理器，包含了运行goroutine的资源（上下文环境），1对1 关联一个M
M machine 操作系统线程，goroutine执行还是要依赖线程

GPM 是如何协调运行的

简述：一个 G 的执行需要 P 和 M 的支持。一个 M 与一个 P 关联之后，形成一个有效的 G 的运行环境。每个 P 都包含一个可运行的 G 的队列。该队列中的 G 会被依次传给与本地 P 关联的 M，并获得运行时机。

两个队列

这里先介绍下两个 存放待运行 goroutine 的队列，一个是调度器下的全局队列，一个绑定在每个 Processer 的本地队列。

  1. P 的本地队列：存放的是等待运行的goroutine，当前运行的goroutine新建一个 gr 时，会优先放到对应这个P的本地队列。
  2. 全局队列：同样存放的是等待运行的goroutine，如上当本地队列满了，会移出部分 gr 到全局队列。如果某个P 对应的队列空了，会从全局队列取 gr 运行。

GPM 调度运行

G(goroutine) 的运行还是要依赖 线程(M)的，那它是用哪个线程去执行呢？这就需要调度器了，它把 线程M 和 处理器 P (processer) 做绑定，P 上有一个正在运行的goroutine 和 本地队列，当这个 gr 运行完，再从本地队列取下一个 gr，这么运行下去。

M 与 P 的创建

  • M

一个 M 代表了一个内核线程。新创建一个 M 时，一般是由于没有足够的 M 来关联 P （当前 M 阻塞时，会在 空闲 M列表中找一个与 P 关联，如果没有则会新建一个 M）。

  • P

P 的数量受 runtime.GOMAXPROCS 控制，默认是cpu核数，最大是256（未来可变）。

调度策略

  • work stealing

从执行线程角度来看，当本线程 M 无可运行的 G 时，会尝试从全局队列中获取，没有则还会尝试从其他线程绑定的 P steal G，而不是销毁线程。

  • hand off

当 gr 进行系统调用而阻塞时，运行时系统会把这个 gr 所依赖的 M 和与之关联的 P 进行分离。如果这个P的本地队列还有 gr，那么运行时系统会找一个空闲的 M 或者再创建一个 M 并与这个 P 关联。

参考

  • 《Go 并发编程实战》