[系统运维]GMP协程调度器初探

多线程并发

进程管理

1.进程和线程区别
进程是操作系统进行资源调度和分配的基本单位，早期的程序都是单进程的，而到了后期随着多核CPU的发展，进程中包括了至少一个线程的存在，而多个线程共享进程的堆内存和方法区，线程是进程的一个实体，是CPU调度的分派的基本单位，是比进程更小的能独立运行的基本单位，线程基本上不拥有系统资源，只拥有(程序计数器，寄存器和栈)，但是它可以和其他线程共享进程所拥有的资源

2.进程通信的方式
管道，信号量，共享内存，消息队列，套接字

3.并发的几种方式

多进程，多线程，协程，异步

3.1 多进程：c的fork，python的multiprocessing

3.2 多线程：java的thread

3.3 协程：Gorountine，gevent

3.4 异步：select，poll，epoll

3.进程，线程，协程的区别
协程是一种基于线程之上，比线程更加轻量级的存在，这种由程序员自己写程序管理的线程叫做用户线程，是不需要内核进行管理的，同时在当今互联网环境下，为每一个任务都创建线程是不现实的，会消耗大量的内存

同时线程的实现模型也会分为：内核级线程模型，用户级线程模型和混合级线程模型

3.1 用户级线程模型

用户线程与内核线程（Linux的PCB进程控制块）KSE是多对一(N:1)的，多个用户线程一般从属于一个进程，线程的创建，销毁，协作都是由用户自己的线程库来实现，而无需系统调用，一个进程中创建的线程都只能和同一个内核线程动态绑定，内核的所有调度都是基于用户线程，但是这样有个很大的问题，并不能做到真正意义上的并发，原因是一个内核线程绑定了一个用户进程，如果用户进程出现了中断，那么进程中的某个线程可能会出现阻塞，这时整个进行都会阻塞在这里，即使是多核机器，都没有用，可以理解为这个情况下，CPU的调度单位是用户进程，所以一些协程会将一些阻塞的操作换成非阻塞的，然后在阻塞的时候，主动让出CPU，从而唤醒其他用户线程执行，避免了内核调度器做上下文切换

例子：python的gevent库

3.2 内核级线程模型

用户线程和内核线程是1对1的模型，也就是一个用户线程绑定一个实际的内核线程，线程的调度完全交给内核去做，应用程序对线程的创建，终止和同步都是基于内核完成，比如说java的Thread都是操作系统对内核级线程的封装，创造出的每个线程与一个独立的调度器绑定，他的优势是实现简单，直接借助OS内核以及调度器，所以CPU可以快速切换调度线程，真正实现了并行处理，但是劣势是借助了OS内核来操作，线程的创建，销毁，以及多个线程之间的上下文切换和调度成本大大增加，影响性能

例子：java的thread

3.3混合线程模型

用户线程和内核线程是N：M，多对多的，一个进程可以和多个内核线程关联，也就是一个进程内部的多个线程可以分别绑定一个自己的内核线程，但是一个进程里的线程并不会和KSE直接绑定，这种方式又可以表现为多个用户线程映射到同一个内核线程，当某个内核线程因为绑定的线程阻塞操作被内核调度出CPU时，其关联的进程中其余用户线程可以重新和其他内核线程绑定运行，所以这种是协同调度，但是比较复杂，一般用作第三方库

golang的GMP调度器

在这里可以讲一讲，每个OS线程都会有一个固定大小的内存块，一般是2mb作为栈，用来存储当前正在被调用或者挂起的本地函数内部变量（操作数，局部变量，方法数），golang协程相比于java线程来说，开销更小，栈的大小初始时大小只为2kb，随着任务的执行，最大可以达到1GB，并且完全由golang自己的调度器进行调度，GC线程会周期性的回收不用的内存，收缩栈空间，因此这就是golang能够同时并发成千上万个协程的关键

同时，goroutine G也是完全基于用户态的线程，并不会直接绑定OS线程，而是由他的逻辑处理器P进行执行，逻辑处理器是一个抽象的资源，一个处理器可以绑定一个OS线程，在golang内部，将OS线程抽象为了一个数据结构，所以M，M，G实际上都是由P进行调度的，P可以视为运行他们的CPU

在golang中，线程才是运行goroutine的实体，P的功能就是将可运行的G分配到工作线程上

GO的调度器基本结构

• G：每个goroutine绑定一个G结构体，G存储goroutine的运行堆栈，状态和任务函数，需要绑定P才可以被调度执行
• P：逻辑处理器，G只有绑定在P上才可以被调度，对M来说，P提供了执行环境和内存状态，任务队列等，P的数量决定了可以并行运行G的数量
• M：OS的线程抽象，代表真正执行计算的资源，绑定P后，才能进入调度状态，M不保留G的状态，所以G可以跨M调度，同时M的数量是由Go Runtime动态调整的，防止调度数太多造成系统瓶颈

1. 全局队列（Global Queue）：存放等待运行的G。
2. P的本地队列：同全局队列类似，存放的也是等待运行的G，存的数量有限，不超过256个。新建G’时，G’优先加入到P的本地队列，如果队列满了，则会把本地队列中一半的G移动到全局队列。
3. P列表：所有的P都在程序启动时创建，并保存在数组中，最多有GOMAXPROCS(可配置)个。
4. M：线程想运行任务就得获取P，从P的本地队列获取G，P队列为空时，M也会尝试从全局队列拿一批G放到P的本地队列，或从其他P的本地队列偷一半放到自己P的本地队列。M运行G，G执行之后，M会从P获取下一个G，不断重复下去。

Go调度器的设计策略

复用线程：避免频繁的创建、销毁线程，而是对线程的复用。

1）work stealing(工作窃取)机制

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(任务转移)机制

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，最多有GOMAXPROCS个线程分布在多个CPU上同时运行。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。

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。

Go func()调度流程

(1) 通过使用go func创建一个goroutine

(2) 有两个存储G的队列，一个是局部调度器P的本地队列，一个是全局G的队列，新创建的G首先会进入到P的本地队列中，如果本地队列已满，新创建的G就会保存在全局的队列中

(3) G只能运行在M中，一个M必须持有一个P，M和P是1比1的关系，M会从P的本地队列中弹出一个可执行状态的G来执行，如果P的本地队列为空，就会从其他MP的组合中窃取一个可执行的G来执行

(4) 一个M调度G的执行过程是在一个事件循环机制下完成的，具体来说，当M执行某一个G时，M发生了中断从而进行了syscall或者其余阻塞事件的发生，M就会阻塞，如果当前有一些G在执行，调度器会将这个阻塞的M从P中摘除，然后创建一个新的操作系统线程(如果有空闲的线程可以复用)来服务这个P

(5) 当M的syscall结束时，G会尝试获取一个空闲的P执行，并且放入到这个P的本地队列，如果获取不到P，那么这个线程M就会变成休眠模式，加入到空闲线程中，然后G会进入到全局队列里面

调度过程例子: 以一个hello world为例

package main

import "fmt"

func main() {
    fmt.Println("Hello world")
}

(1) goruntime(go的执行环境，goruntime和用户代码一起编译到一个可执行文件中)创建最初的线程M0和goroutineG0,并将二者关联

• 这里的M0是启动程序后的编号为0的主线程，不需要在堆上分配，负责初始化第一个G，此后的角色和其他M是一样的，G0则是伴随着M创建而创建，G0主要用于负责调度，不指向任何可执行的函数，每一个M都有一个自己的G0

(2)调度器初始化m0，栈，垃圾回收，以及创建和初始化指定数目的由P构成的P列表

(3) 示例代码经过编译之后，runtime会调用main函数，程序启动后会为runtime创建goroutine, 然后将main goroutine加入到P的本地队列

(4) 启动m0，m0已经绑定了P，会从P的本地队列获取G，获取到main goroutine

(5) G拥有自己的栈，M根据G汇总的栈信息和调度信息设置运行环境

(6) M运行G

(7) G的cpu使用时间用完，G退出了M的调度，M会再次获取可运行的G，不断重复下去，知道main函数执行完退出，runtime执行defer和panic处理，或者直接exit退出程序

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