今天来讲一下调度器，我本来写了两个版本，后面发现都好像不太好，其实核心差不太多，就是层次不够清晰，然后在度娘上又啃了几篇相关的文章，又进行了综合一下，文章末尾有引用的文章链接。不得不说，大佬们画图还是非常厉害的。其实突然在这个期间发现一些问题：就是markdown模式下的话容易让人看不清重点，最近在找替代简书的地方，有推荐的可以留言推荐
（一）调度器的核心点：
- 1.复用线程
避免频繁的创建销毁线程，我们知道线程的启停销毁是很耗费性能的一件事情，我们就要reuse thread（线程复用） ,那么具体该怎么来处理。golang ：”create threads when needed ;keep them around for reuse“，当我们需要创建的时候就创建，然后保留它来复用，看过M结构的人就知道M有个allM的字段就是保存所有的M的链表。 - 2.利用并行
设置GOMAXPROCS 来进行设置go program的核心数，程序的并行 - 3.stealing working
利用小偷算法，当本地的队列没有g了，去别的地方偷一半的g进行运行，保证任务的公平性 - 4.handoff
利用移交算法，当本线程因为系统调用进行阻塞的时候，线程释放绑定的P，把P给其他的M执行
值得一说的是：Go1.1之前只有G-M模型，没有P，Dmitry Vyukov在Scalable Go Scheduler Design Doc提出该模型在并发伸缩性方面的问题，并通过加入P(Processors)来改进该问题。
（二）重要结构体
G:goroutine
每次go调用的时候，都会创建一个G对象，它包括栈、指令指针以及对于调用goroutines很重要的其它信息，比如阻塞它的任何channel，其主要数据结构
// Go1.11版本默认stack大小为2KB
_StackMin = 2048
// 创建一个g对象,然后放到g队列
// 等待被执行
func newproc1(fn *funcval, argp *uint8, narg int32, callergp *g, callerpc uintptr) {
_g_ := getg()
_g_.m.locks++
siz := narg
siz = (siz + 7) &^ 7
_p_ := _g_.m.p.ptr()
newg := gfget(_p_)
if newg == nil {
// 初始化g stack大小
newg = malg(_StackMin)
casgstatus(newg, _Gidle, _Gdead)
allgadd(newg)
}
// 以下省略}
M:mechine
代表一个线程，每次创建一个M的时候，都会有一个底层线程创建；所有的G任务，最终还是在M上执行，其主要数据结构
type m struct {
/*
1. 所有调用栈的Goroutine,这是一个比较特殊的Goroutine。
2. 普通的Goroutine栈是在Heap分配的可增长的stack,而g0的stack是M对应的线程栈。
3. 所有调度相关代码,会先切换到该Goroutine的栈再执行。
*/
g0 *g
curg *g // M当前绑定的结构体G
// SP、PC寄存器用于现场保护和现场恢复
vdsoSP uintptr
vdsoPC uintptr
// 省略…}
P:Processor
代表一个处理器，每一个运行的M都必须绑定一个P，就像线程必须在么一个CPU核上执行一样，由P来调度G在M上的运行，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或者不需要太多的M）（最大10000）；每一个P保存着本地G任务队列，也有一个全局G任务队列。P的数据结构
// 自定义设置GOMAXPROCS数量
func GOMAXPROCS(n int) int {
/*
1. GOMAXPROCS设置可执行的CPU的最大数量,同时返回之前的设置。
2. 如果n < 1,则不更改当前的值。
*/
ret := int(gomaxprocs)
stopTheWorld("GOMAXPROCS")
// startTheWorld启动时,使用newprocs。
newprocs = int32(n)
startTheWorld()
return ret
}
// 默认P被绑定到所有CPU核上
// P == cpu.cores
func getproccount() int32 {
const maxCPUs = 64 * 1024
var buf [maxCPUs / 8]byte
// 获取CPU Core
r := sched_getaffinity(0, unsafe.Sizeof(buf), &buf[0])
n := int32(0)
for _, v := range buf[:r] {
for v != 0 {
n += int32(v & 1)
v >>= 1
}
}
if n == 0 {
n = 1
}
return n
}
// 一个进程默认被绑定在所有CPU核上,返回所有CPU core。
// 获取进程的CPU亲和性掩码系统调用
// rax 204 ; 系统调用码
// system_call sys_sched_getaffinity; 系统调用名称
// rid pid ; 进程号
// rsi unsigned int len
// rdx unsigned long *user_mask_ptr
sys_linux_amd64.s:
TEXT runtime·sched_getaffinity(SB),NOSPLIT,$0
MOVQ pid+0(FP), DI
MOVQ len+8(FP), SI
MOVQ buf+16(FP), DX
MOVL $SYS_sched_getaffinity, AX
SYSCALL
MOVL AX, ret+24(FP)
RET
(三)调度过程
image
-
我们通过 go func()来创建一个goroutine；g 的结构是可复用的，对于可复用的g也是有local队列和global队列的，用：p.freeg 这个参数，全局队列就是sched.pfree，获取参数都是差不多的，优先从p.gfree中获取，这一步是无锁的，否者就从sched.pfree中获取一部分过来这是有锁的一个操作
-
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队列。新创建的G会优先尝试放到p的runnext中，作为下一个执行G，如果不行就得放到我们的本地队列中，如果P的本地队列已经满了就会保存在全局的队列中；
-
G只能运行在M中，一个M必须持有一个P，M与P是1：1的关系。M会从P的本地队列弹出一个可执行状态的G来
执行，如果P的本地队列为空，就会想其他的MP组合偷取一个可执行的G来执行； -
一个M调度G执行的过程是一个循环机制；
-
当M执行某一个G时候如果发生了syscall或则其余阻塞操作，M会阻塞，如果当前有一些G在执行，runtime会把
这个线程M从P中摘除(detach)，然后再创建一个新的操作系统的线程(如果有空闲的线程可用就复用空闲线程)来
服务于这个P； -
当M系统调用结束时候，这个G会尝试获取一个空闲的P执行，并放入到这个P的本地队列。如果获取不到P，
那么这个线程M变成休眠状态， 加入到空闲线程中，然后这个G会被放入全局队列中
3.1G的几种暂停方式
- gosched: 将当前的G暂停，保存堆栈状态，以_GRunnable状态放入Global队列中，让当前M继续执行其它任务。无需对G进行唤醒操作，因为总会有M从Global队列取得并执行该G。抢占调度即使用该方式
- 2.gopark: 与goched的最大区别在于gopark没有将G放回执行队列，而是位于某个等待队列中(如channel的waitq，此时G状态为_Gwaitting)，因此G必须被手动唤醒(通过goready)，否则会丢失任务。应用层阻塞通常使用这种方式。
- 3.notesleep: 既不让出M，也不让G和P重新调度，直接让线程休眠直到被唤醒(notewakeup)，该方式更快，通常用于gcMark，stopm这类自旋场景
- 4.notesleepg: 阻塞G和M，放飞P，P可以和其它M绑定继续执行，比如可能阻塞的系统调用会主动调用entersyscallblock，则会触发 notesleepg
- 5.goexit: 立即终止G任务，不管其处于调用堆栈的哪个层次，在终止前，确保所有defer正确执行。
（四）调度源码
// go1.9.1 src/runtime/proc.go
// 省略了GC检查等其它细节，只保留了主要流程
// g: G结构体定义
// sched: Global队列
// 获取一个待执行的G
func findrunnable() (gp *g, inheritTime bool) {
// 获取当前的G对象
_g_ := getg()
top:
// 获取当前P对象
_p_ := _g_.m.p.ptr()
// 1. 尝试从P的Local队列中取得G 优先_p_.runnext 然后再从Local队列中取
if gp, inheritTime := runqget(_p_); gp != nil {
return gp, inheritTime
}
// 2. 尝试从Global队列中取得G
if sched.runqsize != 0 {
lock(&sched.lock)
// globrunqget从Global队列中获取G 并转移一批G到_p_的Local队列
gp := globrunqget(_p_, 0)
unlock(&sched.lock)
if gp != nil {
return gp, false
}
}
// 3. 检查netpoll任务：检测是否存在M阻塞
if netpollinited() && sched.lastpoll != 0 {
if gp := netpoll(false); gp != nil { // non-blocking
// netpoll返回的是G链表，将其它G放回Global队列
injectglist(gp.schedlink.ptr())
casgstatus(gp, _Gwaiting, _Grunnable)
if trace.enabled {
traceGoUnpark(gp, 0)
}
return gp, false
}
}
// 4. 尝试从其它P窃取任务
procs := uint32(gomaxprocs)
if atomic.Load(&sched.npidle) == procs-1 {
goto stop
}
if !_g_.m.spinning {
_g_.m.spinning = true
atomic.Xadd(&sched.nmspinning, 1)
}
for i := 0; i < 4; i++ {
// 随机P的遍历顺序
for enum := stealOrder.start(fastrand()); !enum.done(); enum.next() {
if sched.gcwaiting != 0 {
goto top
}
stealRunNextG := i > 2 // first look for ready queues with more than 1 g
// runqsteal执行实际的steal工作，从目标P的Local队列转移一般的G过来
// stealRunNextG指是否steal目标P的p.runnext G
if gp := runqsteal(_p_, allp[enum.position()], stealRunNextG); gp != nil {
return gp, false
}
}
}
...
}
4.1用户态的阻塞
当Goroutine因为Channel操作而阻塞(通过gopark)时，对应的G会被放置到某个wait队列(如channel的waitq)，该G的状态由_Gruning变为_Gwaitting，而M会跳过该G尝试获取并执行下一个G。
当阻塞的G被G2唤醒(通过goready)时(比如channel可读/写)，G会尝试加入G2所在P的runnext，然后再是P Local队列和Global队列。简单解释一下：当G是chan<-的接收消息，被阻塞了，如果G2是Chan的写消息，当G阻塞，G2写入了一个数据，那么G就被G2唤醒了，G就被放到了G2的P的runnext，如果放成功了，就是跳过了排队，然后执行，如果失败了就丢入local队列
4.2系统调用阻塞：syscall
当G被阻塞在某个系统调用上时，此时G会阻塞在_Gsyscall状态，M也处于block on syscall状态，此时仍然可被抢占调度: 执行该G的M会与P解绑，而P则尝试与其它idle的M绑定，继续执行其它G。如果没有其它idle的M，但队列中仍然有G需要执行，则创建一个新的M。
当系统调用完成后，G会重新尝试获取一个idle的P，并恢复执行，如果没有idle的P，G将加入到Global队列。
系统调用能被调度的关键有两点:
runtime/syscall包中，将系统调用分为SysCall和RawSysCall，前者和后者的区别是前者会在系统调用前后分别调用entersyscall和exitsyscall(位于src/runtime/proc.go)，做一些现场保存和恢复操作，这样才能使P安全地与M解绑，并在其它M上继续执行其它G。某些系统调用本身可以确定会长时间阻塞(比如锁)，会调用entersyscallblock在发起系统调用前直接让P和M解绑(handoffp)。
4.3GMP的几个状态
- P的几个状态：
（五）sysmon
sysmon是一个由runtime启动的M，也叫监控线程，它无需P也可以运行，它每20us~10ms唤醒一次，主要执行:
释放闲置超过5分钟的span物理内存；
如果超过2分钟没有垃圾回收，强制执行；
将长时间未处理的netpoll结果添加到任务队列；
向长时间运行的G任务发出抢占调度；
收回因syscall长时间阻塞的P；
入口在src/runtime/proc.go:sysmon函数，它通过retake实现对syscall和长时间运行的G进行调度:
func retake(now int64) uint32 {
n := 0
for i := int32(0); i < gomaxprocs; i++ {
_p_ := allp[i]
if _p_ == nil {
continue
}
pd := &_p_.sysmontick
s := _p_.status
if s == _Psyscall {
// Retake P from syscall if it's there for more than 1 sysmon tick (at least 20us).
t := int64(_p_.syscalltick)
if int64(pd.syscalltick) != t {
pd.syscalltick = uint32(t)
pd.syscallwhen = now
continue
}
// 如果当前P Local队列没有其它G，当前有其它P处于Idle状态，并且syscall执行事件不超过10ms，则不用解绑当前P(handoffp)
if runqempty(_p_) && atomic.Load(&sched.nmspinning)+atomic.Load(&sched.npidle) > 0 && pd.syscallwhen+10*1000*1000 > now {
continue
}
// handoffp
incidlelocked(-1)
if atomic.Cas(&_p_.status, s, _Pidle) {
if trace.enabled {
traceGoSysBlock(_p_)
traceProcStop(_p_)
}
n++
_p_.syscalltick++
handoffp(_p_)
}
incidlelocked(1)
} else if s == _Prunning {
// Preempt G if it's running for too long.
t := int64(_p_.schedtick)
if int64(pd.schedtick) != t {
pd.schedtick = uint32(t)
pd.schedwhen = now
continue
}
// 如果当前G执行时间超过10ms，则抢占(preemptone)
if pd.schedwhen+forcePreemptNS > now {
continue
}
// 执行抢占
preemptone(_p_)
}
}
return uint32(n)
}
抢占式调度
当某个goroutine执行超过10ms，sysmon会向其发起抢占调度请求，由于Go调度不像OS调度那样有时间片的概念，因此实际抢占机制要弱很多: Go中的抢占实际上是为G设置抢占标记(g.stackguard0)，当G调用某函数时(更确切说，在通过newstack分配函数栈时)，被编译器安插的指令会检查这个标记，并且将当前G以runtime.Goched的方式暂停，并加入到全局队列。源代码如下:
// src/runtime/stack.go
// Called from runtime·morestack when more stack is needed.
// Allocate larger stack and relocate to new stack.
// Stack growth is multiplicative, for constant amortized cost.
func newstack(ctxt unsafe.Pointer) {
...
// gp为当前G
preempt := atomic.Loaduintptr(&gp.stackguard0) == stackPreempt
if preempt {
...
// Act like goroutine called runtime.Gosched.
// G状态由_Gwaiting变为 _Grunning 这是为了能以Gosched的方式暂停Go
casgstatus(gp, _Gwaiting, _Grunning)
gopreempt_m(gp) // never return
}
}
// 以goched的方式将G重新放入
func goschedImpl(gp *g) {
status := readgstatus(gp)
// 由Running变为Runnable
casgstatus(gp, _Grunning, _Grunnable)
// 与M解除绑定
dropg()
lock(&sched.lock)
// 将G放入Global队列
globrunqput(gp)
unlock(&sched.lock)
// 重新调度
schedule()
}
func gopreempt_m(gp *g) {
if trace.enabled {
traceGoPreempt()
}
goschedImpl(gp)
}
netpoll
前面的findrunnable，G的获取除了p.runnext，p.runq和sched.runq外，还有一中G从netpoll中获取，netpoll是Go针对网络IO的一种优化，本质上为了避免网络IO陷入系统调用之中，这样使得即便G发起网络I/O操作也不会导致M被阻塞（仅阻塞G），从而不会导致大量M被创建出来。
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