此篇简要介绍Go语言调度器的GMP模型内容。

并发和并行的概念

并发

逻辑上具有处理多个同时性任务的能力。

并行

物理上同一时刻执行多个并发任务。

支持高并发的模型

CSP

消息之间通过channel发送，发送者和接收者不必关心，松耦合。

Actor

Actor是基本的处理单元，相互之间直接发送消息，需要知道彼此的地址。

MPG模型

M

  1. M即Machine或称为工作线程，所有M是有线程栈的。每个M都代表了1个内核线程，相当于内核线程在 Go 进程中的映射。OS调度器负责把内核线程分配到CPU的核上执行。
  2. M必须和一个P关联才能运行G。
  3. work stealing：当M绑定的P没有可运行的G时，它可以从其他运行的M那里偷取G。
  4. 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

P

  1. P即Processor是一个抽象的概念，并不是真正的物理CPU。它包含了运行goroutine的资源。
  2. 如果线程想运行goroutine，必须先获取P，P中还包含了可运行的G队列。
  3. P需要和M进行绑定，构成一个执行单元。
  4. P决定了同时可以并发任务的数量，可通过runtime.GOMAXPROCS限制同时执行用户级任务的操作系统线程。在Go1.5之后GOMAXPROCS被默认设置可用的核数，而之前则默认为1。所有的P都在程序启动时创建，并保存在数组中，最多有GOMAXPROCS个。
  5. P 的个数是通过 runtime.GOMAXPROCS 设定（最大256），Go1.5版本之后默认为物理线程数。 在并发量大的时候会增加一些 P 和 M ，但不会太多，切换太频繁的话得不偿失。
  6. P有两种队列：本地队列（Local Queue）和全局队列（Global Queue）。

本地队列： 当前P的队列，本地队列是Lock-Free，没有数据竞争问题，无需加锁处理，可以提升处理速度。同全局队列类似，存放的也是等待运行的G，存的数量有限。
全局队列：全局队列为了保证多个P之间任务的平衡。所有M共享P全局队列，为保证数据竞争问题，需要加锁处理。相比本地队列，处理速度要低。
一个 Prcessor 表示执行 Go 代码片段的所必需的上下文环境，可以理解为用户代码逻辑的处理器。

G

  1. G即Goroutine的缩写。
  2. Go不同版本Goroutine默认栈大小不同。
  3. 在Go中，线程是运行Goroutine的实体，调度器的功能是把可运行的Goroutine分配到工作线程上。

MPG的调度过程

  1. 首先通过执行go func()来创建一个G对象，新建的G对象会被保存到P的本地队列或者是全局队列（注意这里的P指的是创建G的P）。P此时去唤醒或创建一个M来执行G。P继续执行它的执行序。M寻找是否有空闲的P，如果有则将该G对象移动到它本身。接下来M执行一个调度循环（调用G对象->执行->清理线程→继续找新的Goroutine执行）。
  2. M执行过程中，随时会发生上下文切换。当发生上线文切换时，需要对执行现场进行保护，以便下次被调度执行时进行现场恢复。Go调度器M的栈保存在G对象上，只需要将M所需要的寄存器（SP、PC等）保存到G对象上就可以实现现场保护。当这些寄存器数据被保护起来，就随时可以做上下文切换了，在中断之前把现场保存起来。如果此时G任务还没有执行完，M可以将任务重新丢到P的任务队列，等待下一次被调度执行。当再次被调度执行时，M通过访问G的寄存器进行现场恢复（从上次中断位置继续执行）。
  3. 每一个 M 都会以一个内核线程绑定，M 和 P 之间也是一对一的关系，而 P 和 G 的关系则是一对多。在运行过程中，M 和 内核线程之间对应关系的不会变化，在 M 的生命周期内，它只会与一个内核线程绑定，而 M 和 P 以及 P 和 G 之间的关系都是动态可变的。
  4. 在实际的运行过程中，M 和 P 的组合才能够为 G 提供有效的运行环境，而多个可执行 G 将会顺序排成一个队列挂在某个 P 上面，等待调度和执行。
  5. M 的创建一般是因为没有足够的 M 来和 P 组合以为 G 提供运行环境，在很多时候 M 的数量可能会比 P 要多。在单个 Go 进程中，P 的最大数量决定了程序的并发规模，且 P 的最大数量是由程序决定的。可以通过修改环境变量 GOMAXPROCS 和 调用函数 runtime.GOMAXPROCS 来设定 P 的最大值。
  6. M 和 P 会适时的组合和断开，保证 P 中的待执行 G 队列能够得到及时运行。比如一个 G 如果因为网络 I/O 而阻塞了 M，那么 P 就会携带剩余的 G 投入到其它 M 的怀抱中。这个新的 M 可能是新创建的，也可能是从调度器空闲 M 列表中获取的，取决于此时的调度器空闲 M 列表中是否存在多余 M，从而避免 M 的过多创建。
  7. 一言蔽之，调度的本质就是 P 将 G 合理的分配给某个 M 的过程。

其它注意

  1. 本地队列有数量限制，即不允许超过 256 个，并且在新建G时，会优先选择P的本地队列。如果本地队列满了，则将P的本地队列中一半的G移动到全局队列，这可以理解为调度资源的共享和再平衡。
  2. 其中的steal行为是用来做什么的呢？当创建新的G或者G变成可运行状态时，它会被推送并加入到当前P的本地队列中。当P执行G完毕后，它开始“干活”，它会从本地队列中弹出G，同时检查当前本地队列是否为空。如果为空，则会随机的从其它P的 本地队列 中尝试窃取 一半 可运行的G到自己的名下。