goroutine调度

翻译

liuyuede123 2022-10-17 19:08:10

文章标签 go 系统调用内核线程堆栈 文章分类 Go语言后端开发

1、进程

一个进程包含可以由任何进程分配的公共资源。这些资源包括但不限于内存地址空间、文件句柄、设备和线程。

一个进程会包含下面一些属性：

Process ID：进程ID
Process State：进程状态
Process Priority：进程优先级
Program Counter：程序计数器
General purpose register：通用寄存器
List of open files：打开的文件列表
List of open devices：打开的设备列表
Protection information：保护信息
List of the child process：子进程列表
Pending alarms：待定警告
Signals and signal handlers：信号和信号处理程序
Accounting information：记账信息

2、线程

线程是轻量级的进程，一个线程将在进程内的所有线程之间共享进程的资源，如代码、数据、全局变量、文件和内存地址空间。但是栈和寄存器不会共享，每个线程都有自己的栈和寄存器

线程的优点：

提高系统的吞吐量
提高响应能力
由于属性更少，上下文切换更快
多核CPU的有效利用
资源共享（代码、数据、地址空间、文件、全局变量）

3、用户级线程

用户级线程也称为绿色线程，如：C 中的coroutine、Go 中的 goroutine 和 Ruby 中的 Fiber

goroutine调度_系统调用

该进程维护一个内存地址空间，处理文件，以及正在运行的应用程序的设备和线程。操作系统调度程序决定哪些线程将在任何给定的 CPU 上接收时间

因此，与耗时和资源密集型的进程创建相比，在一个进程中创建多个用户线程（goroutine）效率更高。

4、goroutine

在Go中用户级线程被称作Goroutine，在创建goroutine时需要做到：

易于创建
轻量级
并发执行
可扩展
无限堆栈（最大堆栈大小在 64 位上为 1 GB，在 32 位上为 250 MB。）
处理阻塞调用
高效 (work stealing)

其中阻塞调用可能是下面一些原因：

在channel中收发数据
网络IO调用
阻塞的系统调用
计时器
互斥操作（Mutex）

为什么go需要调度goroutine？

Go 使用称为 goroutine 的用户级线程，它比内核级线程更轻且更便宜。例如，创建一个初始 goroutine 将占用 2KB 的堆栈大小，而内核级线程将占用 8KB 的堆栈大小。还有，goroutine 比内核线程有更快的创建、销毁和上下文切换，所以 go 调度器需要退出来调度 goroutine。OS 不能调度用户级线程，OS 只知道内核级线程。 Go 调度器将 goroutine 多路复用到内核级线程，这些线程将在不同的 CPU 内核上运行

什么时候会调度goroutine？

如果有任何操作应该或将会影响 goroutine 的执行，比如 goroutine 的启动、等待执行和阻塞调用等……

go调度如何将 goroutine 多路复用到内核线程中？

1、1:1调度（1个线程对应一个goroutine）

并行执行（每个线程可以在不同的内核上运行）
可以工作但是代价太高
内存至少〜32k（用户堆栈和内核堆栈的内存）
性能问题（系统调用）
没有无限堆栈

2、N:1调度（在单个内核线程上多路复用所有 goroutine）

没有并行性（即使有更多 CPU 内核可用，也只能使用单个 CPU 内核）

我们看下下面的例子，只为go分配了1个processer去处理2个goroutine：

package main

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

func main() {
    // 分配 1 个逻辑处理器供调度程序使用
    runtime.GOMAXPROCS(1)
    var wg sync.WaitGroup
    wg.Add(2)

    fmt.Println("Starting Goroutines")

    // 开一个go协程打印字母
    go func() {
        defer wg.Done()
        time.Sleep(time.Second)
        // 打印3次字母
        for count := 0; count < 3; count++ {
            for ch := 'a'; ch < 'a'+26; ch++ {
                fmt.Printf("%c ", ch)
            }
            fmt.Println()
        }
    }()

    // 开一个go协程打印数字
    go func() {
        defer wg.Done()
        // 打印3次数字
        for count := 0; count < 3; count++ {
            for n := 1; n <= 26; n++ {
                fmt.Printf("%d ", n)
            }
            fmt.Println()
        }
    }()

    // 等待返回
    fmt.Println("Waiting To Finish")
    wg.Wait()
    fmt.Println("\nTerminating Program")
}

看下结果：

go run main.go
Starting Goroutines
Waiting To Finish
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 
a b c d e f g h i j k l m n o p q r s t u v w x y z 
a b c d e f g h i j k l m n o p q r s t u v w x y z 
a b c d e f g h i j k l m n o p q r s t u v

可以看到这俩个goroutine是串行执行的，要么先完成第一个goroutine，要么先完成第二个goroutine，并不是并发执行的。

那如何去实现并发执行呢？

我们同样设置runtime.GOMAXPROCS为1，但是在goroutine中我们在不同的时机加入阻塞goroutine的时间函数time.Sleep，我们看下会有什么不同的结果。

package main

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

func main() {
    // 分配 1 个逻辑处理器供调度程序使用
    runtime.GOMAXPROCS(1)
    var wg sync.WaitGroup
    wg.Add(2)

    fmt.Println("Starting Goroutines")

    // 开一个go协程打印字母
    go func() {
        defer wg.Done()
        time.Sleep(time.Second)
        // 打印3次字母
        for count := 0; count < 3; count++ {
            for ch := 'a'; ch < 'a'+26; ch++ {
                if count == 0 {
                    time.Sleep(10 * time.Millisecond)
                }
                if count == 1 {
                    time.Sleep(30 * time.Millisecond)
                }
                if count == 2 {
                    time.Sleep(50 * time.Millisecond)
                }
                fmt.Printf("%c ", ch)
            }
            fmt.Println()
        }
    }()

    // 开一个go协程打印数字
    go func() {
        defer wg.Done()
        // 打印3次数字
        for count := 0; count < 3; count++ {
            for n := 1; n <= 26; n++ {
                if count == 0 {
                    time.Sleep(20 * time.Millisecond)
                }
                if count == 1 {
                    time.Sleep(40 * time.Millisecond)
                }
                if count == 2 {
                    time.Sleep(60 * time.Millisecond)
                }
                fmt.Printf("%d ", n)
            }
            fmt.Println()
        }
    }()

    // 等待返回
    fmt.Println("Waiting To Finish")
    wg.Wait()
    fmt.Println("\nTerminating Program")
}

看下结果：

go run main.go
Starting Goroutines
Waiting To Finish
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 a 12 b c d e 13 f g h i 14 j k l m 15 n o p 16 q r s t 17 u v w x 18 y z 
19 a b 20 c 21 d 22 e f 23 g 24 h 25 i j 26 
k l 1 m n 2 o p 3 q r 4 s t 5 u v 6 w x 7 y z 
8 a 9 b 10 c 11 d 12 e f 13 g 14 h 15 i 16 j 17 k l 18 m 19 n 20 o 21 p 22 q r 23 s 24 t 25 u 26

通过上面的结果我们可以看到，当goroutine1阻塞时，go调度器会调度goroutine2执行。

我们可以得出：

即使我们将 runtime.GOMAXPROCS(1) 设置为 1，程序也在并发运行
Running 状态的 Goroutine 数量最大为 1，Block Goroutine 可以多于一个，其他所有 Goroutine 都处于 Runnable 状态

3、线程池

在需要时创建一个线程，这意味着如果有 goroutine 要运行但所有其他线程都忙，则创建一个线程
一旦线程完成其执行而不是销毁重用它
这可以更快的创建goroutine，因为我们可以重用线程
但是还有更多的内存消耗，性能问题，并且没有无限堆栈。

4、M: N 线程共享运行队列调度（GMP）

M代表系统线程的数量
N代表goroutine的数量
goroutine 的创建成本很低，我们可以完全控制 goroutine 的整个生命周期，因为它是在用户空间中创建的
创建一个操作系统线程很昂贵，我们无法控制它，但是使用多个线程我们可以实现并行
在这个模型中，多个 goroutine 被多路复用到内核线程中

我们上面提到过导致goroutine阻塞调用可能是下面一些原因：

在channel中收发数据
网络IO调用
阻塞的系统调用
计时器
互斥操作（Mutex）

下面看一些goroutine阻塞的例子：

package main

 import (
     "time"
     "fmt"
     "sync"
     "os"
     "net/http"
     "io/ioutil"
 )

 // 全局变量
 var worker int

 func writeToFile(wg *sync.WaitGroup,){
     defer wg.Done()
    
     file, _ := os.OpenFile("file.txt", os.O_RDWR|os.O_CREATE, 0755)             // 系统调用阻塞
     resp, _ := http.Get("https://blog.waterflow.link/articles/1662706601117") // 网络IO阻塞
     body, _ := ioutil.ReadAll(resp.Body)                                        // 系统调用阻塞

     file.WriteString(string(body))
 }

 func workerCount(wg *sync.WaitGroup, m *sync.Mutex, ch chan string) { 
     // Lock() 给共享资源上锁
     // 独占访问状态, 
     // 增加worker的值,
     // Unlock() 释放锁
     m.Lock()                                                                    // Mutex阻塞
     worker = worker + 1
     ch <- fmt.Sprintf("Worker %d is ready",worker)
     m.Unlock()
  
     // 返回, 通知WaitGroup完成
     wg.Done()
 }

 func printWorker(wg *sync.WaitGroup, done chan bool, ch chan string){
    
     for i:=0;i<100;i++{
         fmt.Println(<-ch)                                               // Channel阻塞
     }
     wg.Done()
     done <-true
 }

 func main() {
    
     ch :=make(chan string)
     done :=make(chan bool)
    
     var mu sync.Mutex
    
     var wg sync.WaitGroup
    
     for i:=1;i<=100;i++{
         wg.Add(1)
         go workerCount(&wg,&mu,ch)
     }
    
     wg.Add(2)
     go writeToFile(&wg)
     go printWorker(&wg,done,ch)
    
     wg.Wait()
    
     <-done                                                             // Channel阻塞
    
     <-time.After(1*time.Second)                                        // Timer阻塞
     close(ch)
     close(done)
 }

下面我们看看go调度器在上面这些例子中是如何工作的：

如果一个 goroutine 在通道上被阻塞，则通道有等待队列，所有阻塞的 goroutine 都列在等待队列中，并且很容易跟踪。在阻塞调用之后，它们将被放入 schedular 的全局运行队列中，OS Thread 将再次按照 FIFO 的顺序选择 goroutine。

goroutine调度_go_02

M1,M2,M3尝试从全局G队列中获取G
M1获取锁并拿到G1，然后释放锁
M3获取锁拿到G2，然后释放锁
M2获取锁拿到G3，然后释放锁
G1在ch1的channel中阻塞，然后添加到ch1的等待队列。导致M1空闲
M1不能闲着，从全局队列获取锁拿到G4，然后释放锁
G3阻塞在ch2的channel中，然后被放到ch2的等待队列。导致M2空闲
M2获取锁拿到G5，然后释放锁
此时G3在ch2结束阻塞，被放到全局队列尾部等待执行
G1在ch1结束阻塞，被放到全局队列尾部等待执行
G4，G5，G2执行完成
M1，M2，M3重复步骤1-4

互斥锁、定时器和网络 IO 使用相同的机制
如果一个 goroutine 在系统调用中被阻塞，那么情况就不同了，因为我们不知道内核空间发生了什么。通道是在用户空间中创建的，因此我们可以完全控制它们，但在系统调用的情况下，我们没法控制它们。
阻塞系统调用不仅会阻塞 goroutine 还会阻塞内核线程。
假设一个 goroutine 被安排在一个内核线程上的系统调用，当一个内核线程完成执行时，它将唤醒另一个内核线程（线程重用），该线程将拾取另一个 goroutine 并开始执行它。这是一个理想的场景，但在实际情况下，我们不知道系统调用将花费多少时间，因此我们不能依赖内核线程来唤醒另一个线程，我们需要一些代码级逻辑来决定何时在系统调用的情况下唤醒另一个线程。这个逻辑在 golang 中实现为 runtime·entersyscall()和 runtime·exitsyscall()。这意味着内核线程的数量可以超过核心的数量。
当对内核进行系统调用时，它有两个关键点，一个是进入时机，另一个是退出时机。

M1，M2试着从全局队列拿G
M1获取锁并拿到G1，然后释放锁
M2获取锁并拿到G2，然后释放锁
M2阻塞在系统调用，没有可用的内核线程，所以go调度器创建一个新的线程M3
M3获取锁并拿到G3，然后释放锁
此时M2结束阻塞状态，重新把G2放到全局队列（G2由阻塞变为可执行状态）。M2虽然是空闲状态，但是go调度器不会销毁它，而是自旋发现新的可执行的goroutine。
G1，G3执行结束
M1，M3重复步骤1-3

操作系统可以支持多少内核线程？

在 Linux 内核中，此参数在文件 /proc/sys/kernel/threads-max 中定义，该文件用于特定内核。

sh:~$ cat /proc/sys/kernel/threads-max 94751 这里输出94751表示内核最多可以执行94751个线程

每个 Go 程序可以支持多少个 goroutine？

调度中没有内置对 goroutine 数量的限制。

每个 GO程序可以支持多少个内核线程？

默认情况下，运行时将每个程序限制为最多 10,000 个线程。可以通过调用 runtime/debug 包中的 SetMaxThreads 函数来更改此值。

总结：

内核线程数可以多于内核数
轻量级 goroutine
处理 IO 和系统调用
goroutine并行执行
不可扩展（所有内核级线程都尝试使用互斥锁访问全局运行队列。因此，由于竞争，这不容易扩展）

5、M:N 线程分布式运行队列调度器

为了解决每个线程同时尝试访问互斥锁的可扩展问题，维护每个线程的本地运行队列

每个线程状态（本地运行队列）
仍然有一个全局运行队列

goroutine调度_go_03

M1，M2，M3，M4扫描本地可运行队列
M1，M2，M3，M4从各自的本地队列取出G4，G6，G1，G3

从上面的动图可以看到：

从本地队列拿G是不需要加锁的
可运行 goroutine 的全局队列需要锁

结论：

轻量级 goroutine
处理 IO 和 SystemCalls
goroutine 并行执行
可扩展
高效

如果线程数大于内核数，那么会有什么问题呢？

在分布式运行队列调度中，我们知道每个线程都有自己的本地运行队列，其中包含有关接下来将执行哪个 goroutine 的信息。同样由于系统调用，线程数会增加，并且大多数时候它们的本地运行队列是空的。因此，如果线程数大于核心数，则每个线程必须扫描所有线程本地运行队列，并且大部分时间它们是空的，所以如果线程过多，这个过程是耗时的并且解决方案效率不高，因此我们需要将线程扫描限制为使用 M:P:N 线程模型求解的常数。

6、M:P: N 线程

P 代表处理器，它是运行 go 代码所需的资源。处理器结构详细信息 https://github.com/golang/go/blob/63e129ba1c458db23f0752d106ed088a2cf38360/src/runtime/runtime2.go#L601
M 代表工作线程或机器。机器线程结构详细信息 https://github.com/golang/go/blob/63e129ba1c458db23f0752d106ed088a2cf38360/src/runtime/runtime2.go#L519
G 代表 goroutine。 Goroutine 结构细节 https://github.com/golang/go/blob/63e129ba1c458db23f0752d106ed088a2cf38360/src/runtime/runtime2.go#L407
通常，P的数量与逻辑处理器的数量相同
逻辑处理器与物理处理器不同（比如我的mac逻辑处理器是8，无力处理器是4）
在启动main goroutine之前创建P

如何检查逻辑处理器的数量？

package main

 import (  
     "fmt"
     "runtime"
 )

 func main() {
     fmt.Println(runtime.NumCPU())
 }

分布式 M:P:N 调度例子

goroutine调度_系统调用_04

M1，M2各自扫描P1，P2的队列
M1，M2从各自的P1，P2中取出G3，G1执行

在系统调用期间执行P的切换

goroutine调度_系统调用_05

M1，M2各自扫描P1，P2的队列
M1，M2从各自的P1，P2中取出G3，G1执行
G1即将进入系统调用，所以在这之前G1会唤醒另一个线程M3，并将P2切换到M3
M3扫描P2并取出G2运行
一旦G1变为非阻塞，它将被推送到全局队列等待运行

在work-stealing期间，只需要扫描固定数量的队列，因为逻辑处理器的数量是有限的。

如何选择下一个要运行的 goroutine ？

Go 调度器将按以下顺序检查以选择下一个要执行的 goroutine

本地运行队列

goroutine调度_内核线程_06

全局运行队列

M1，M2，M3各自扫描本地队列P1，P2，P3
M1，M2，M3各自从P1，P2，P3取出G3，G1，G5
G5完成，M3扫描本地队列P3发现空，然后扫描全局队列
M3将从全局队列获取一定数量的G（G6，G7），保存到本地队列P3
现在M3从本地队列P3取出G6执行

Network poller

M1，M2，M3各自扫描本地队列P1，P2，P3
M1，M2，M3各自从P1，P2，P3取出G3，G1，G6
G6执行完成，M3扫描P3发现是空的，然后扫描全局队列
但是全局队列也是空的，然后就检查网络轮询中已就绪的G
网络轮询中有一个已就绪的G2，所以M3取出G2并执行

Work Stealing

M1，M2，M3各自扫描本地队列P1，P2，P3
M1，M2，M3各自从P1，P2，P3取出G3，G1，G6
G6执行完成，M3扫描P3发现是空的，然后扫描全局队列
但是全局队列也是空的，然后就检查网络轮询中已就绪的G
但是网络轮询中没有已就绪的G，所以M3随机的从其他P中窃取一半的G到P3
如果随机选中的P中没有要执行的G，就会重试4次，从其他P获取

总结：

轻量级 goroutine
处理 IO 和系统调用
goroutine 的并行执行
可扩展
高效/工作窃取

Go 调度的局限性

FIFO 对局部性原则不利
没有 goroutine 优先级的概念（不像 Linux 内核）
没有强抢占 -> 没有强公平或延迟保证
它没有意识到系统拓扑 -> 没有真实的位置。有一个旧的 NUMA 感知调度程序提案。此外，建议使用 LIFO 队列，这样 CPU 内核缓存中更有可能有数据。

翻译自：

https://mukeshpilaniya.github.io/posts/Go-Schedular/

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