Go語言中goroutine的調度原理是什么

Go語言中goroutine的調度原理是什么，很多新手對此不是很清楚，為了幫助大家解決這個難題，下面小編將為大家詳細講解，有這方面需求的人可以來學習下，希望你能有所收獲。

一、關于并發的基礎知識

在講goroutine的調度原理之前，有些與操作系統相關的知識，我們需要先知道，例如：

1.什么是并發？

并發：兩個或兩個以上的任務在一段時間內被執行。我們并不關心這些任務是否在同一時刻執行，我們只是知道，這些任務在這一段時間能能夠都被執行，當然這一段時間可以很長，也可以很短。

2.并發的最小并發單位是什么？

進程是計算機資源分配最小的單位，是CPU分配資源的基本單位，具有獨立的內存。

線程是計算機調度最小的單位，也是程序執行的最小單位，是在進程中的，一個進程往往會有一個到多個線程。

3.計算機是如何實現并發的？

計算機的分時調用是并發的根本，CPU通過快速的切換作業來執行不同的作業，基本的調度單位在執行的時候可以被阻塞掉，此時就會將CPU資源讓出來，等到該調度單位再次被喚醒的時候，又可以使用CPU資源，而操作系統保證了整個的調度過程。

二、Goroutine的基礎知識

除此之外，關于goroutine的調度原理，我們需要弄清楚下面幾個問題。

1.goroutine是什么？

Goroutine：是Go里的一種輕量級線程——協程。

1）相對線程，協程的優勢就在于它非常輕量級，進行上下文切換的代價非常的小。

2）對于一個goroutine ,每個結構體G中有一個sched的屬性就是用來保存它上下文的。這樣，goroutine 就可以很輕易的來回切換。

3）由于其上下文切換在用戶態下發生，根本不必進入內核態，所以速度很快。而且只有當前goroutine 的 PC, SP等少量信息需要保存。

4）在Go語言中，每一個并發的執行單元為一個goroutine。

Go 語言中的goroutine并發, 采用的是CSP（communicating sequential processes）并發模型，講究的是以通訊的方式來進行數據共享，是通過goroutine配合channel的方式來實現的。（備注：這部分知識后續單獨整理一章。）

2.既然它是比線程還小的粒度，那么它與線程有什么關系？

Go語言的線程模型就是一種特殊的兩級線程模型，如下所示：

兩級線程模型的實現非常復雜，和內核級線程模型類似，一個進程中可以對應多個內核級線程，但是進程中的線程不和內核線程一一對應；這種線程模型會先創建多個內核級線程，然后用自身的用戶級線程去對應創建的多個內核級線程，自身的用戶級線程需要本身程序去調度，內核級的線程交給操作系統內核去調度。

三、Goroutine的調度策略

我們先來看下，Go線程實現了MPG模型：

S（Sched）：結構就是調度器，它維護有存儲M和G的隊列以及調度器的一些狀態信息等。

M（Machine）：一個M直接關聯了一個內核線程。

P（processor）：代表了M所需的上下文環境，也是處理用戶級代碼邏輯的處理器。G（Goroutine）：其實本質上也是一種輕量級的線程。

它們的關系如下所示：

介紹：

一個M會關聯兩個東西，一個是內核線程，一個是可執行的進程。

一個上下文P會有兩類Goroutine，一類是正在運行的，圖中的藍色G；一類是正在排隊的，圖中灰色G，這個會存儲在該進程中的runqueue里面。

這里的上下文P的數量也表示的是Goroutinue運行的數量，一般設置為幾個，機器中就會并發運行幾個。當然這里P的數量是可以設置的，通過環境變量GOMAXPROCS的值，或者通過運行時調用函數runtime.GOMAXPROCS()進行設置，最大值是256。

有了上面的知識，我們知道了Goroutine的一些基本概念，但是我們還是不知道，Go的并發是如何調度的。而這一個話題，就需要我們將Goroutine的幾種場景（創建、銷毀和運行）做拆分。

1.在執行go語句之前，我們看下程序都做了哪些準備，也就是程序的初始化啟動流程是什么樣子的？

上面的代碼，有三個點非常關鍵，分別是runtime.schedinit，runtime.main，runtime.mstart

Step1: runtime.schedinit：這一步是調度器的初始化操作，它會設置GOMAXPROCS的大小，這里的大小不能超過它的上限256，并創建設置好對應數量的P，當然這些P都處于閑置狀態；然后，將這些創建好的P都存放到sched中pidle所關聯的閑置列表中。

Step2: 程序會繼續執行runtime.newproc來創建程序的第一個goroutine，而這個goroutine會執行runtime.main也就是我們看到的main函數，在這之后main會主動創建一個內核線程M，這個M只用來做系統監控用，這個內核線程與程序中goroutinue的調度有關系。

Step3:在runtime.mstart之后，程序就開始執行了，如果后續需要創建goroutine，就會調用go語句來創建。

2.goroutine創建流程是什么樣子的？

在調用go func()的時候，會調用runtime.newproc來創建一個goroutine，這個goroutine會新建一個自己的棧空間，同時在G的sched中維護棧地址與程序計數器這些信息（備注：這些數據在goroutine被調度的時候會被用到。準確的說該goroutine在放棄cpu之后，下一次在重新獲取cpu的時候，這些信息會被重新加載到cpu的寄存器中。）

創建好的這個goroutine會被放到，它所對應的內核線程M所使用的上下文P中的runqueue中。等待調度器來決定何時取出該goroutine并執行，通常調度是按時間順序被調度的，這個隊列是一個先進先出的隊列。

3.新建的這些goroutine是如何被調度的呢？

goroutine在創建好了之后，調度器會決定何時執行這個goroutine，這個過程就叫做調度。

新建好的goroutine，最開始都會存儲在某一個線程M，所關聯的上下文P的runqueue中，但是在后續的調度中，有些goroutine因為調用了runtime.gosched，會被放到全局隊列中。

線程M的選擇過程，按照下面的順序執行：

1.從M對應的P中的runqueue中取出goroutine，來執行，沒有的話，執行2。

2.從全局隊列里面嘗試取出一個goroutine來執行，有的話，執行！沒有的話，執行3。

3.從其他的線程M的P中，偷出一些goroutine來執行，偷失敗了，執行4。（備注：這里偷的話，一偷就偷一半，使用的算法叫做work stealing。）

4.線程M發現無事可做，就去休息了，也就是線程的sleep，它等待被喚醒。

4.運行中的goroutine是怎么停止的呢？一旦被停止了的話，那排隊在它后面的goutinue該怎么辦？

講完了goroutine的調度之后，我們便要考慮一個問題，正在被執行的goroutine何時停止，停止了之后會發生什么？而掛在M對應的P后面的runqueue中的goroutine該怎么辦？

情況1:runtime·park

當調用了runtime·park函數之后，goroutine會被設置成waiting狀態，線程M會放棄它自身關聯的上下文P，而系統會分配一個新的線程M1來接管這個上下文P，（備注：當然這里面的M1也有可能是本來就創建好的，處于閑置狀態中的）。

原來的線程M0則會與上下文斷開連接，M0因為無事可做，就去sleep了，等待下次被喚醒。如下圖所示：

channel的讀寫操作，定時器中，網絡poll等都有可能park goroutine。

情況2:runtime·gosched

調用runtime·gosched函數也可以讓當前goroutine放棄cpu，這種情況下會將goroutine設置成runnable，放置到全局隊列中。備注：這個也就是為什么全局變量的queue里面會有goroutine的原因。

5.goroutine被喚醒之后，會做什么？

goroutine處于waiting狀態的話，在調用runtime·ready函數之后，會被喚醒，喚醒的goroutine會被重新放到，M對應的上下文所對應的runqueue中，等待被調度。

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