一文详解Golang协程调度器scheduler

2024-04-02 19:55

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1. 调度器scheduler的作用

我们都知道，在Go语言中，程序运行的最小单元是gorouines。

然而程序的运行最终都是要交给操作系统来执行的，以Java为例，Java中的一个线程对应的就是操作系统中的线程，以此来实现在操作系统中的运行。在Go中，gorouines比线程更轻量级，其与操作系统的线程也不是一一对应的关系，然而，最终我们想要执行程序，还是要借助操作系统的线程来完成，调度器scheduler的工作就是完成gorouines到操作系统线程的调度。

2. GMP模型

当我们运行go fun(){}时，会生成一个g，优先放置在创建他的p的本地队列中，如果本地队列已满，那么会放置在全局队列中。

g的运行需要借助p与m，p是执行器，只有获得p的g才能执行，p的执行需要挂在m上，m对应的是操作系统中的线程，p的数量与CPU的核数相同。

goroutine运行所需要的上下文信息都是存放在g的数据结构当中的，所以g可以依靠任意的p或者m执行，而对于操作系统而言，其并不能看到p与g的调度过程，这些过程对于操作系统线程来说都是连续的，所以省去了线程上下文切换的开销。

g的数据结构如下所示：

type g struct {
    stack       stack   // g自己的栈

    m            *m      // 执行当前g的m
    sched        gobuf   // 保存了g的现场，goroutine切换时通过它来恢复
    atomicstatus uint32  // g的状态Gidle,Grunnable,Grunning,Gsyscall,Gwaiting,Gdead
    goid         int64
    schedlink    guintptr // 下一个g, g链表

    preempt       bool //抢占标记

    lockedm        muintptr // 锁定的M,g中断恢复指定M执行
    gopc           uintptr  // 创建该goroutine的指令地址
    startpc        uintptr  // goroutine 函数的指令地址
}

p的数据结构如下所示：

type p struct {
    id          int32
    status      uint32 // 状态
    link        puintptr // 下一个P, P链表
    m           muintptr // 拥有这个P的M
    mcache      *mcache  

    // P本地runnable状态的G队列
    runqhead uint32
    runqtail uint32
    runq     [256]guintptr
    
    runnext guintptr // 一个比runq优先级更高的runnable G

    // 状态为dead的G链表，在获取G时会从这里面获取
    gFree struct {
        gList
        n int32
    }

    gcBgMarkWorker       guintptr // (atomic)
    gcw gcWork

}

m的数据结构如下所示：

type m struct {
    g0      *g     // g0, 每个M都有自己独有的g0

    curg          *g       // 当前正在运行的g
    p             puintptr // 当前用于的p
    nextp         puintptr // 当m被唤醒时，首先拥有这个p
    id            int64
    spinning      bool // 是否处于自旋

    park          note
    alllink       *m // on allm
    schedlink     muintptr // 下一个m, m链表
    mcache        *mcache  // 内存分配
    lockedg       guintptr // 和 G 的lockedm对应
    freelink      *m // on sched.freem

}

通过gmp模型，我们能解决gorouines到操作系统线程的映射问题，gorouines之间的切换是在用户态完成的，在操作系统的视角来看，线程的上下文切换并不频繁，因此就少了很多陷入内核的过程，所以有更好的并发效果。