一文詳解Golang協程調度器scheduler

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1. 調度器scheduler的作用

我們都知道，在Go語言中，程序運行的最小單元是gorouines。

然而程序的運行最終都是要交給操作系統來執行的，以Java為例，Java中的一個線程對應的就是操作系統中的線程，以此來實現在操作系統中的運行。在Go中，gorouines比線程更輕量級，其與操作系統的線程也不是一一對應的關系，然而，最終我們想要執行程序，還是要借助操作系統的線程來完成，調度器scheduler的工作就是完成gorouines到操作系統線程的調度。

2. GMP模型

當我們運行go fun(){}時，會生成一個g，優先放置在創建他的p的本地隊列中，如果本地隊列已滿，那麼會放置在全局隊列中。

g的運行需要借助p與m，p是執行器，隻有獲得p的g才能執行，p的執行需要掛在m上，m對應的是操作系統中的線程，p的數量與CPU的核數相同。

goroutine運行所需要的上下文信息都是存放在g的數據結構當中的，所以g可以依靠任意的p或者m執行，而對於操作系統而言，其並不能看到p與g的調度過程，這些過程對於操作系統線程來說都是連續的，所以省去瞭線程上下文切換的開銷。

g的數據結構如下所示：

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

    m            *m      // 執行當前g的m
    sched        gobuf   // 保存瞭g的現場，goroutine切換時通過它來恢復
    atomicstatus uint32  // g的狀態Gidle,Grunnable,Grunning,Gsyscall,Gwaiting,Gdead
    goid         int64
    schedlink    guintptr // 下一個g, g鏈表

    preempt       bool //搶占標記

    lockedm        muintptr // 鎖定的M,g中斷恢復指定M執行
    gopc           uintptr  // 創建該goroutine的指令地址
    startpc        uintptr  // goroutine 函數的指令地址
}

p的數據結構如下所示：

type p struct {
    id          int32
    status      uint32 // 狀態
    link        puintptr // 下一個P, P鏈表
    m           muintptr // 擁有這個P的M
    mcache      *mcache  

    // P本地runnable狀態的G隊列
    runqhead uint32
    runqtail uint32
    runq     [256]guintptr
    
    runnext guintptr // 一個比runq優先級更高的runnable G

    // 狀態為dead的G鏈表，在獲取G時會從這裡面獲取
    gFree struct {
        gList
        n int32
    }

    gcBgMarkWorker       guintptr // (atomic)
    gcw gcWork

}

m的數據結構如下所示：

type m struct {
    g0      *g     // g0, 每個M都有自己獨有的g0

    curg          *g       // 當前正在運行的g
    p             puintptr // 當前用於的p
    nextp         puintptr // 當m被喚醒時，首先擁有這個p
    id            int64
    spinning      bool // 是否處於自旋

    park          note
    alllink       *m // on allm
    schedlink     muintptr // 下一個m, m鏈表
    mcache        *mcache  // 內存分配
    lockedg       guintptr // 和 G 的lockedm對應
    freelink      *m // on sched.freem

}

通過gmp模型，我們能解決gorouines到操作系統線程的映射問題，gorouines之間的切換是在用戶態完成的，在操作系統的視角來看，線程的上下文切換並不頻繁，因此就少瞭很多陷入內核的過程，所以有更好的並發效果。

3. 調度機制

1）work stealing機制

當一個p上的g執行完之後，他會嘗試從其他的p隊列中竊取g來執行，以減少操作系統線程的切換動作。

2）hand off機制

這個是針對m來說的，有的時候m可能因為g的信號調用而被操作系統阻塞，這個時候p就會掛載去另一個m繼續執行可以執行的g，當阻塞的m就緒之後，會給p發信號，召喚他回來繼續進行後續操作。

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