在 Go 語(yǔ)言中，Goroutine 是并發(fā)模型的核心，而 P（Processor） 是 Go 調(diào)度器中的一個(gè)關(guān)鍵抽象。理解 Goroutine 調(diào)度模型 中的 G（Goroutine）、M（Machine，內(nèi)核線程）、P（Processor，邏輯處理器） 的關(guān)系可以幫助我們理解 Go 的搶占式調(diào)度策略。

Go 調(diào)度器使用 G-M-P 模型：

• Goroutine (G)：一個(gè) Goroutine 代表一個(gè) Go 協(xié)程。
• Processor (P)：P 是邏輯處理器，負(fù)責(zé)調(diào)度和管理 Goroutine，最多有 GOMAXPROCS 個(gè) P。每個(gè) P 可以運(yùn)行一個(gè) Goroutine。
• Machine (M)：M 是操作系統(tǒng)的內(nèi)核線程。每個(gè) M 需要綁定一個(gè) P 來(lái)執(zhí)行 Goroutine。

#Go 中的搶占式調(diào)度

Go 的調(diào)度器采用的是協(xié)作式調(diào)度為主，搶占式調(diào)度為輔。協(xié)作式調(diào)度意味著 Goroutine 需要主動(dòng)放棄控制權(quán)來(lái)讓其他 Goroutine 運(yùn)行，比如調(diào)用系統(tǒng)調(diào)用或者 Goroutine 自己調(diào)用 runtime.Gosched()。

搶占式調(diào)度則是為了防止某些 Goroutine 占用 CPU 太久（比如某個(gè) Goroutine 在長(zhǎng)時(shí)間執(zhí)行計(jì)算密集型任務(wù)），Go 1.14 引入了針對(duì) 計(jì)算密集型 Goroutine 的 搶占式調(diào)度。搶占式調(diào)度可以在以下場(chǎng)景下觸發(fā)：

• Goroutine 執(zhí)行時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，特別是沒(méi)有主動(dòng)進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)用、調(diào)度讓出等行為時(shí)。
• Goroutine 執(zhí)行在較長(zhǎng)的函數(shù)調(diào)用鏈上，或者在一些函數(shù)的棧幀擴(kuò)展時(shí)（例如深度遞歸調(diào)用或大數(shù)組操作時(shí)）。

#搶占 P 的時(shí)機(jī)

1. 系統(tǒng)調(diào)用 (syscall) 后：當(dāng) Goroutine 執(zhí)行系統(tǒng)調(diào)用后，Goroutine 會(huì)讓出 P，此時(shí)調(diào)度器可能會(huì)選擇調(diào)度其他的 Goroutine 來(lái)運(yùn)行。
2. 垃圾回收 (GC) 階段：當(dāng)觸發(fā)垃圾回收時(shí)，調(diào)度器會(huì)在合適時(shí)機(jī)搶占 Goroutine，確保 GC 可以進(jìn)行。
3. 計(jì)算密集型任務(wù)被長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行：從 Go 1.14 開始，調(diào)度器會(huì)定期檢查長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行的 Goroutine，并進(jìn)行搶占。

#搶占式調(diào)度與長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行的 Goroutine

下面的例子展示了一個(gè) Goroutine 在執(zhí)行計(jì)算密集型任務(wù)時(shí)如何可能會(huì)被 Go 的搶占式調(diào)度機(jī)制打斷。

package main

import (
	"fmt"
	"runtime"
	"time"
)

// 模擬一個(gè)計(jì)算密集型任務(wù)
func busyLoop() {
	for i := 0; i < 1e10; i++ {
		// 占用 CPU，但沒(méi)有主動(dòng)讓出調(diào)度權(quán)
	}
	fmt.Println("Finished busy loop")
}

func main() {
	runtime.GOMAXPROCS(1) // 設(shè)置只有 1 個(gè) P

	go func() {
		for {
			fmt.Println("Running another goroutine...")
			time.Sleep(500 * time.Millisecond) // 每 500 毫秒休息一次
		}
	}()

	busyLoop() // 執(zhí)行計(jì)算密集型任務(wù)

	time.Sleep(2 * time.Second)
}

#代碼解析：

1. runtime.GOMAXPROCS(1)：我們將 GOMAXPROCS 設(shè)置為 1，意味著整個(gè)程序中只有一個(gè) P，這樣所有 Goroutine 都只能在這個(gè) P 上調(diào)度。
2. busyLoop：這是一個(gè)計(jì)算密集型任務(wù)，在沒(méi)有主動(dòng)進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)用或讓出調(diào)度權(quán)的情況下，循環(huán)執(zhí)行大量的操作，耗盡 CPU 時(shí)間。
3. 搶占：雖然 busyLoop 沒(méi)有主動(dòng)讓出 CPU，但由于 Go 的搶占式調(diào)度機(jī)制，調(diào)度器可能會(huì)在合適的時(shí)間點(diǎn)打斷 busyLoop，讓其他 Goroutine（比如打印 "Running another goroutine..." 的那個(gè) Goroutine）得到執(zhí)行機(jī)會(huì)。

#輸出示例：

Running another goroutine...
Running another goroutine...
...
Finished busy loop

我們可以看到，盡管 busyLoop 是一個(gè)計(jì)算密集型任務(wù)，其他的 Goroutine 仍然會(huì)間歇性地被調(diào)度并執(zhí)行。這個(gè)就是 Go 搶占式調(diào)度的效果。

#搶占的實(shí)現(xiàn)機(jī)制

搶占式調(diào)度的核心機(jī)制是 定期檢查 Goroutine 的執(zhí)行時(shí)間。Go 調(diào)度器在后臺(tái)維護(hù)一個(gè)時(shí)間戳，記錄 Goroutine 上次被調(diào)度的時(shí)間。調(diào)度器每隔一段時(shí)間會(huì)檢查當(dāng)前運(yùn)行的 Goroutine，如果 Goroutine 占用了 CPU 超過(guò)一定時(shí)間，調(diào)度器就會(huì)標(biāo)記這個(gè) Goroutine 需要被搶占，然后調(diào)度其他的 Goroutine 來(lái)執(zhí)行。

搶占式調(diào)度通過(guò)以下方式觸發(fā)：

1. 函數(shù)調(diào)用邊界：當(dāng) Goroutine 進(jìn)行函數(shù)調(diào)用時(shí)，Go runtime 會(huì)在合適的時(shí)機(jī)插入搶占檢查點(diǎn)。
2. 棧增長(zhǎng)：當(dāng) Goroutine 的棧增長(zhǎng)（如遞歸調(diào)用導(dǎo)致棧內(nèi)存增長(zhǎng)）時(shí)，調(diào)度器也會(huì)插入搶占檢查。
3. GC 安全點(diǎn)：垃圾回收過(guò)程中，調(diào)度器也會(huì)嘗試搶占。

#通過(guò)代碼觀察搶占效果

我們可以通過(guò)使用 GODEBUG 環(huán)境變量，啟用搶占式調(diào)度的調(diào)試日志，觀察搶占調(diào)度的具體行為。運(yùn)行如下代碼時(shí)，啟用調(diào)試模式：

GODEBUG=schedtrace=1000,scheddetail=1 go run main.go

• schedtrace=1000 表示每隔 1000 毫秒輸出一次調(diào)度器狀態(tài)。
• scheddetail=1 表示輸出詳細(xì)的調(diào)度器信息。

#輸出內(nèi)容解釋

在輸出的調(diào)試信息中，我們可以看到調(diào)度器何時(shí)搶占了 Goroutine，何時(shí)讓出了 P，以及具體的調(diào)度行為。調(diào)試信息會(huì)包括如下內(nèi)容：

• idle M：表示某個(gè) M（線程）變成空閑狀態(tài)。
• new work：表示調(diào)度器找到了新的工作，分配給 P。
• steal work：表示調(diào)度器從其他 P 中竊取任務(wù)來(lái)運(yùn)行。

#最后我們來(lái)總結(jié)一下

• Go 的調(diào)度器主要基于 協(xié)作式調(diào)度，但是對(duì)于計(jì)算密集型任務(wù)會(huì)通過(guò) 搶占式調(diào)度 機(jī)制防止長(zhǎng)時(shí)間占用 CPU。
• 搶占調(diào)度在計(jì)算密集型 Goroutine、系統(tǒng)調(diào)用后、垃圾回收等場(chǎng)景下被觸發(fā)。
• Go 1.14 引入了針對(duì)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行的 Goroutine 的搶占式調(diào)度，使得 Goroutine 不會(huì)因?yàn)橛?jì)算密集任務(wù)長(zhǎng)時(shí)間阻塞 CPU。

這使得 Go 語(yǔ)言能更加高效地運(yùn)行并發(fā)程序，避免單個(gè) Goroutine 長(zhǎng)時(shí)間霸占 CPU，影響其他 Goroutine 的執(zhí)行。