前言

在 Golang 的并發(fā)編程中，GMP 是一個重要的概念，它代表了 Goroutine、M（線程）和 P（調(diào)度器）。這個強大的三位一體的并發(fā)模型使得 Golang 在處理并發(fā)任務(wù)時非常高效和靈活。通過 GMP 的組合，Golang 實現(xiàn)了一種高效的并發(fā)模型。它充分利用了多核處理器的優(yōu)勢，并通過輕量級的 Goroutine 實現(xiàn)了高并發(fā)的編程模式。但是GPM到底是怎么工作的呢？今天這篇文章就為您解開GPM的神秘面紗。

調(diào)度器的由來

單進程系統(tǒng)

早期的計算機都是單進程操作系統(tǒng)，各個進程之間都是順序執(zhí)行，也就是進程A執(zhí)行完了才能執(zhí)行進程B。

「對于cpu來說，進程和線程是一樣的，這里我們就不討論進程和線程的區(qū)別了」。

存在的問題

• 單一執(zhí)行流程，計算機只能一個任務(wù)一個任務(wù)的處理。
• 如果進程A阻塞，會帶來很多cpu浪費的時間。

多進程/線程操作系統(tǒng)

基于以上的問題，于是就出現(xiàn)了多進程/線程操作系統(tǒng)。

• 系統(tǒng)把cpu分成了一段一段的時間片(微妙級別)。
• cpu在第一個時間片執(zhí)行進程A，然后切換到進程B執(zhí)行，再切換到進程C，一直這樣輪詢的執(zhí)行。
• 因為cpu被分成的時間片是微妙級別的，所以直觀的感覺就是進程A，B，C是在同時執(zhí)行的。
• 多進程/線程操作系統(tǒng)的確解決了阻塞的問題，但是又出現(xiàn)了新的問題。

存在的問題

• 因為cpu需要不斷地進程A，B，C之間切換，切換肯定避免不了各種復(fù)制，計算等消耗，所以在切換過程中浪費掉了很多時間成本，所以「進程/線程越多」，切換「成本就越大」，也就越「浪費」。
• 在這種模式下運行CPU在切換動作上浪費的時間成本大概是40%，只有60%的時間是在執(zhí)行程序。

• 進程和線程對內(nèi)存的占用是比較大的，在32位的操作系統(tǒng)中，進程占用的虛擬內(nèi)存大概是4GB，現(xiàn)成占用內(nèi)存大概是4M。

協(xié)程的誕生

對于一個線程來說其實分為兩部分，「用戶空間」和「內(nèi)核空間」。

• 內(nèi)核空間主要是指操作系統(tǒng)底層，包括進程開辟，分配物理內(nèi)存資源，磁盤資源等。
• 用戶空間主要是編碼業(yè)務(wù)邏輯部分。

• 于是有人想到能不能把線程的內(nèi)核空間和用戶空間分開。并且讓他們互相綁定在一起

• 對于cpu來說，只需要關(guān)注內(nèi)核空間的線程就可以了

當然如果只是這樣把用戶空間的協(xié)程和內(nèi)核空間的線程一一綁定還是沒有解決問題的，如果開啟的比較多，那么對應(yīng)的線程也會跟著一起增加，cpu頻繁切換的問題還是沒有解決，于是就引入了「調(diào)度器」的概念

引入調(diào)度器來在各個協(xié)程之間切換，cpu只需要關(guān)注內(nèi)核空間的線程即可，這樣「解決了cpu在各個協(xié)程之間不斷切換的問題」。

存在的問題

這樣設(shè)計雖然解決了cpu頻繁切換的問題，但是如果協(xié)程A發(fā)生了阻塞，肯定會導(dǎo)致協(xié)程B無法被執(zhí)行。而且如果計算機是多核，那么是無法利用到多核的優(yōu)勢的。顯然是不合理的。

對于多核的計算機，在內(nèi)核空間可以開啟多個線程（具體開啟幾個由計算內(nèi)核決定，人為無法控制），所以問題的核心點就轉(zhuǎn)移到了協(xié)程調(diào)度器上面，不管是什么語言，「協(xié)程調(diào)度器」做的越好，相對的「cpu利用率」也就越高。

go對協(xié)程的處理

內(nèi)存控制和靈活調(diào)度

• 首先golang對協(xié)程改名為gorountine，并且把多余的空間都去掉，控制每個協(xié)程的內(nèi)存在幾KB大小，所以golang可以開啟大量協(xié)程。
• golang對協(xié)程的調(diào)度非常靈活，可以經(jīng)常在各個協(xié)程之間切換。

go對早期調(diào)度器的處理（GM模型）

golang在早起調(diào)度器處理是比較簡單的，具體流程如下：

• 首先會有一個全局的go協(xié)程隊列，并且加鎖，防止資源競爭。
• M獲取鎖之后會去嘗試執(zhí)行g(shù)orountine，執(zhí)行完畢再把gorountine重新放回隊列中。

GM模型存在以下問題

• 創(chuàng)建、銷毀、調(diào)度G都需要每個M獲取鎖，這就形成了激烈的鎖競爭。
• M轉(zhuǎn)移G會造成延遲和額外的系統(tǒng)負載。
• 系統(tǒng)調(diào)用(cpu在M之間切換)導(dǎo)致頻繁的線程阻塞和取消阻塞操作增加了系統(tǒng)開銷。
• 比如我再一個G中又開辟了一個G1，那么G1和G當然在一個M上執(zhí)行是比較合適的，因為存在一些共享內(nèi)存，但是顯然這種調(diào)度模式是無法做到的 基于以上問題，golang針對這塊做了一些改進，也就是我們今天的主角，GMP模型。

GMP模型

GMP模型簡介

GMP模型主要指的是G(gorountine協(xié)程)，M(thread線程)，P(processor處理器)之間的關(guān)系

全局隊列

存放等待運行的G。

P的本地隊列

• 存放等待運行的G。
• P的本地隊列存放的G是有數(shù)量限制的，一般是不超過256G。
• 如果創(chuàng)建一個G，是會優(yōu)先放在p的本地隊列中，如果滿了則會放到全局隊列中去。

P列表

• 在程序啟動的過程時創(chuàng)建。
• 最多有GOMAXPROCS個(可配置)。
• 可以通過環(huán)境變量$GOMAXPROCS來設(shè)置P的個數(shù)，也可以在程序中通過runtime.GOMAXPROCS()來設(shè)置。

M列表

• 當前操作系統(tǒng)分配到當前go程序的內(nèi)核線程數(shù)。
• go語言本身，限制M的最大數(shù)量是10000。
• 可以通過runtime/debug包中的setMaxThreads來設(shè)置。
• 如果有一個M阻塞，則會創(chuàng)建一個新的M。
• 如果有M空閑，那么會回收或者睡眠。

調(diào)度器的設(shè)計策略

復(fù)用線程

work stealing機制

• M1對應(yīng)的P上面G1正在執(zhí)行，G2和G3處于等待中的狀態(tài)。
• M2對應(yīng)的P處于空閑狀態(tài)。

這種情況下M2對應(yīng)的P會從M1對應(yīng)的P的本地隊列中把G3偷取過來執(zhí)行，提高CPU的利用率，這種機制叫做「work stealing機制」。

hand off機制

如果M1和M2都在正常執(zhí)行，但是M1對應(yīng)的G1發(fā)生了阻塞，那么勢必會影響到G2的執(zhí)行，那么GMP是如何解決的呢？

• golang會新創(chuàng)建一個M3，用來接管之前的P1剩下的G(G2)。
• M1和G1進行綁定再繼續(xù)執(zhí)行，執(zhí)行完畢之后把M1設(shè)置為睡眠狀態(tài)等待下一次被利用，或者直接銷毀。

并行利用

并行利用其實比較好理解，其實也就是開啟了多少個P，P的個數(shù)是有GOMAXPROCS來決定的，一般都會設(shè)置為 「CPU核數(shù)/2」。

搶占策略

對于傳統(tǒng)的co-routine來說,如果一個C和cpu進行了綁定，那么只有他主動釋放，另外一個C才能和cpu進行綁定。但是在golang中，如果一個G和cpu進行了綁定，那么時間限制最多為10ms，另外一個G就可以直接和cpu綁定。

搶占策略

全局隊列

• 全局隊列的本質(zhì)是對work stealing的一種補充。
• 如上圖，M2對應(yīng)的本地隊列沒有G，會優(yōu)先從M1的本地隊列中偷取。
• 如果M1的本地隊列中也沒有G，那么就會從全局隊列中去偷取G3。
• 因為全局隊列涉及到加鎖和解鎖，所以效率相對要低一些。

go的啟動周期（M0和G0）

要想了解go的啟動周期，首先得了解M0和G0的概念。

M0

• 在一個進程中是唯一的。
• 啟動程序后編號為0的主線程。
• 在全局變量runtime.m0中，不需要在heap上分配。
• 負責初始化操作和啟動第一個G。
• 啟動第一個G之后，M0就和其他的M一樣了。

G0

• 在一個線程中是唯一的。
• 每次啟動一個M，都會第一個創(chuàng)建的gorountine，就是G0。
• G0僅僅用于負責調(diào)度其他G，G0不指向任何可執(zhí)行的函數(shù)。
• 每個M都會有一個自己的G0。
• 在調(diào)度或者系統(tǒng)調(diào)用的時候，會使用M切換到G0來調(diào)度。
• M0的G0會放在全局空間。

執(zhí)行流程

package main
import "fmt"

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

比如我們看上斷代碼的執(zhí)行流程。

初始化操作

在執(zhí)行到main函數(shù)之前，會有一些初始化的操作，比如創(chuàng)建M0，創(chuàng)建G0等等。

執(zhí)行具體函數(shù)

當執(zhí)行main函數(shù)的時候，M0已經(jīng)和其他的M是一樣的了，main函數(shù)會進入M0對應(yīng)的p的本地隊列中，然后和M0綁定執(zhí)行，如果執(zhí)行超時(10ms)，則會重新放到M0對應(yīng)的本地隊列中。一直到執(zhí)行到exit或者panic為止