Golang 的 协程调度机制 与 GOMAXPROCS 性能调优

作者：林冠宏 / 指尖下的幽灵

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前序

正确地认识 G , M , P 三者的关系，能够对协程的调度机制有更深入的理解！ 本文将会完整介绍完 go 协程的调度机制，包含：

• 调度对象的主要组成
• 各对象的关系 与 分工
• gorutine 协程是如何被执行的
• 内核线程 sysmon 对 gorutine 的管理
• gorutine 协程中断挂起 与 恢复
• GOMAXPROCS 如何影响 go 的并发性能

目录

• 调度器的三个基本对象
• G，M，P 三者的关系与特点
• 局部 G 队列与全局 G 队列的关系
• Gorutine从入队到执行
• 解答问题 ①
• 中断后的恢复
• GOMAXPROCS 性能调优

调度器的三个基本对象：

Golang 简称 Go，Go 的协程(goroutine) 和我们常见的线程(Thread)一样，拥有其调度器。

• G (Goroutine)，代表协程，也就是每次代码中使用 go 关键词时候会创建的一个对象
• M (Work Thread)，工作线程
• P (Processor)，代表一个处理器，又称上下文

G-M-P三者的关系与特点：

• 每一个运行的 M 都必须绑定一个 P，线程M 创建后会去检查并执行G (goroutine)对象
• 每一个 P 保存着一个协程G 的队列
• 除了每个 P 自身保存的 G 的队列外，调度器还拥有一个全局的 G 队列
• M 从队列中提取 G，并执行
• P 的个数就是GOMAXPROCS（最大256），启动时固定的，一般不修改
• M 的个数和 P 的个数不一定一样多（会有休眠的M 或 P不绑定M ）（最大10000）
• P 是用一个全局数组（255）来保存的，并且维护着一个全局的 P 空闲链表

局部G队列与全局G队列的关系

• 全局G任务队列会和各个本地G任务队列按照一定的策略互相交换。没错，就是协程任务交换
• G任务的执行顺序是，先从本地队列找，本地没有则从全局队列找
• 转移
  • 局部与全局，全局G个数 / P个数
  • 局部与局部，一次性转移一半

Gorutine从入队到执行

1. 当我们创建一个G对象，就是 gorutine，它会加入到本地队列或者全局队列
2. 如果还有空闲的P，则创建一个M 绑定该 P ，注意！这里，P 此前必须还没绑定过M 的，否则不满足空闲的条件。细节点：
   1. 先找到一个空闲的P，如果没有则直接返回
   2. P 个数不会占用超过自己设定的cpu个数
   3. P 在被 M 绑定后，就会初始化自己的 G 队列，此时是一个空队列
   4. 注意这里的一个点！
      • 无论在哪个 M 中创建了一个 G，只要 P 有空闲的，就会引起新 M 的创建
      • 不需考虑当前所在 M 中所绑的 P 的 G 队列是否已满
      • 新创建的 M 所绑的 P 的初始化队列会从其他 G 队列中取任务过来
   5. 这里留下第一个问题：

      如果一个G任务执行时间太长，它就会一直占用 M 线程，由于队列的G任务是顺序执行的，其它G任务就会阻塞，如何避免该情况发生？ --①

3. M 会启动一个底层线程，循环执行能找到的 G 任务。这里的寻找的 G 从下面几方面找：
   • 当前 M 所绑的 P 队列中找
   • 去别的 P 的队列中找
   • 去全局 G 队列中找
4. G任务的执行顺序是，先从本地队列找，本地没有则从全局队列找
5. 程序启动的时候，首先跑的是主线程，然后这个主线程会绑定第一个 P
6. 入口 main 函数，其实是作为一个 goroutine 来执行

解答问题-①

协程的切换时间片是10ms，也就是说 goroutine 最多执行10ms就会被 M 切换到下一个 G。这个过程，又被称为 中断，挂起

原理：

go程序启动时会首先创建一个特殊的内核线程 sysmon，用来监控和管理，其内部是一个循环：

1. 记录所有 P 的 G 任务的计数 schedtick，schedtick会在每执行一个G任务后递增

2. 如果检查到 schedtick 一直没有递增，说明这个 P 一直在执行同一个 G 任务，如果超过10ms，就在这个G任务的栈信息里面加一个 tag 标记

3. 然后这个 G 任务在执行的时候，如果遇到非内联函数调用，就会检查一次这个标记，然后中断自己，把自己加到队列末尾，执行下一个G

4. 如果没有遇到非内联函数 调用的话，那就会一直执行这个G任务，直到它自己结束；如果是个死循环，并且 GOMAXPROCS=1 的话。那么一直只会只有一个 P 与一个 M，且队列中的其他 G 不会被执行！

例子，下面的这段代码，hello world 不会被输出

func main(){
    runtime.GOMAXPROCS(1)
    go func(){
    	fmt.Println("hello world")
    	// panic("hello world")  // 强制观察输出
    }()
    go func(){
    	for {
            // fmt.Println("aaa")  // 非内联函数，这行注释打开，将导致 hello world 的输出
    	}
    }()
    select {}
}

中断后的恢复

1. 中断的时候将寄存器里的栈信息，保存到自己的 G 对象里面
2. 当再次轮到自己执行时，将自己保存的栈信息复制到寄存器里面，这样就接着上次之后运

GOMAXPROCS--性能调优

看完上面的内容，相信你已经知道，GOMAXPROCS 就是 go 中 runtime 包的一个函数。它设置了 P 的最多的个数。这也就直接导致了 M 最多的个数是多少，而 M 的个数就决定了各个 G 队列能同时被多少个 M 线程来进行调取执行！

故，我们一般将 GOMAXPROCS 的个数设置为 CPU 的核数，且需要注意的是：

• go 1.5 版本之前的 GOMAXPROCS 默认是 1
• go 1.5 版本之后的 GOMAXPROCS 默认是 Num of cpu