GMP的原理与调度

单进程

在早期的操作系统中，一个程序就是一个进程，只有当一个进程运行完，下一个进程才能够启动，一切都是串行的。这样的系统面临两个问题：

执行流程单一
进程阻塞会导致CPU时间的浪费

因此，后来OS加入了多进程并发：当一个进程阻塞，就会切换到其他就绪的进程，以避免浪费CPU时间

线程和协程

多线程就是指一个进程中同时有多个线程正在执行

线程是一个基本的cpu执行单元，是进程中的一个实体，是被系统独立调度和分派的基本单位，线程自己不拥有系统资源，可以与同属于一个进程的其他线程共享进程所拥有的全部资源。引入线程之后，进程只作为除cpu以外系统资源的分配单元，线程则作为处理机的分配单元

而一个线程的实现又可以被划分为用户线程和内核线程，一个 “用户态线程” 必须要绑定一个 “内核态线程”，但是 CPU 并不知道有 “用户态线程” 的存在，它只知道它运行的是一个 “内核态线程”(Linux 的 PCB 进程控制块)。因此，我们只需再做个分类，将内核态线程依然称为“线程”，而用户态线程就被称为“协程”

这也就涉及到了线程与协程之间的绑定关系：

N:1 关系

N 个协程绑定 1 个线程，优点就是协程在用户态线程即完成切换，不会陷入到内核态，这种切换非常的轻量快速。但也有很大的缺点，1 个进程的所有协程都绑定在 1 个线程上
缺点：
- 某个程序用不了硬件的多核加速能力
- 一旦某协程阻塞，造成线程阻塞，本进程的其他协程都无法执行了，根本就没有并发的能力了
1:1 关系

1 个协程绑定 1 个线程，这种最容易实现。协程的调度都由 CPU 完成了，不存在 N:1 缺点，
缺点：
- 协程的创建、删除和切换的代价都由 CPU 完成，有点略显昂贵了
M:N 关系

M 个协程绑定 1 个线程，是 N:1 和 1:1 类型的结合，克服了以上 2 种模型的缺点，但实现起来最为复杂

协程跟线程是有区别的，线程由 CPU 调度是抢占式的，协程由用户态调度是协作式的，一个协程让出 CPU 后，才执行下一个协程

goroutine

Go 为了提供更容易使用的并发方法，使用了 goroutine 和 channel。goroutine 来自协程的概念，让一组可复用的函数运行在一组线程之上，即使有协程阻塞，该线程的其他协程也可以被 runtime 调度，转移到其他可运行的线程上。最关键的是，程序员看不到这些底层的细节，这就降低了编程的难度，提供了更容易的并发

Go 中，协程被称为 goroutine，它非常轻量，一个 goroutine 只占几 KB，并且这几 KB 就足够 goroutine 运行完，这就能在有限的内存空间内支持大量 goroutine，支持了更多的并发。虽然一个 goroutine 的栈只占几 KB，但实际是可伸缩的，如果需要更多内容，runtime 会自动为 goroutine 分配

Goroutine 特点：

占用内存更小（几 kb）
调度更灵活 (runtime 调度)

GMP模型

事实上goroutine的调度器因为开销、锁竞争、局部性等原因，曾经一度被废除过，而重新设计过后的就是现在的GMP模型

在新调度器中，出列 M (thread) 和 G (goroutine)，又引进了 P (processor处理器)

在 Go 中，线程是运行 goroutine 的实体，调度器的功能是把可运行的 goroutine 分配到工作线程上，其中涉及到几个部分：

全局队列（Global Queue）：存放等待运行的 G
P 的本地队列：同全局队列类似，存放的也是等待运行的 G，存的数量有限，不超过 256 个。新建 G’时，G’优先加入到 P 的本地队列，如果队列满了，则会把本地队列中一半的 G 移动到全局队列
P 列表：所有的 P 都在程序启动时创建，并保存在数组中，最多有 GOMAXPROCS(可配置) 个
M：线程想运行任务就得获取 P，从 P 的本地队列获取 G，P 队列为空时，M 也会尝试从全局队列拿一批 G 放到 P 的本地队列，或从其他 P 的本地队列偷一半放到自己 P 的本地队列。M 运行 G，G 执行之后，M 会从 P 获取下一个 G，不断重复下去

Goroutine 调度器和 OS 调度器是通过 M 结合起来的，每个 M 都代表了 1 个内核线程，OS 调度器负责把内核线程分配到 CPU 的核上执行

关于M和P的数量

P 的数量：

由启动时环境变量 $GOMAXPROCS 或者是由 runtime 的方法 GOMAXPROCS() 决定。这意味着在程序执行的任意时刻都只有 $GOMAXPROCS 个 goroutine 在同时运行

2、M 的数量:

go 语言本身的限制：go 程序启动时，会设置 M 的最大数量，默认 10000. 但是内核很难支持这么多的线程数，所以这个限制可以忽略
runtime/debug 中的 SetMaxThreads 函数，设置 M 的最大数量
一个 M 阻塞了，会创建新的 M

M 与 P 的数量没有绝对关系，一个 M 阻塞，P 就会去创建或者切换另一个 M，所以，即使 P 的默认数量是 1，也有可能会创建很多个 M 出来

关于M和P的创建时机

P 何时创建：在确定了 P 的最大数量 n 后，运行时系统会根据这个数量创建 n 个 P

2、M 何时创建：没有足够的 M 来关联 P 并运行其中的可运行的 G。比如所有的 M 此时都阻塞住了，而 P 中还有很多就绪任务，就会去寻找空闲的 M，而没有空闲的，就会去创建新的 M

调度器设计策略

为了减少线程的频繁创建和销毁，对于闲置的线程，GMP的策略是对其复用

work stealing机制：

当本线程无可运行的 G 时，尝试从其他线程绑定的 P 偷取 G，而不是销毁线程
hand off机制：

当本线程因为 G 进行系统调用阻塞时，线程释放绑定的 P，把 P 转移给其他空闲的线程执行

利用并行：GOMAXPROCS 设置 P 的数量，最多有 GOMAXPROCS 个线程分布在多个 CPU 上同时运行。GOMAXPROCS 也限制了并发的程度，比如 GOMAXPROCS = 核数/2，则最多利用了一半的 CPU 核进行并行

抢占：在 coroutine 中要等待一个协程主动让出 CPU 才执行下一个协程，在 Go 中，一个 goroutine 最多占用 CPU 10ms，防止其他 goroutine 被饿死，这就是 goroutine 不同于 coroutine 的一个地方

全局 G 队列：在新的调度器中依然有全局 G 队列，但功能已经被弱化了，当 M 执行 work stealing 从其他 P 偷不到 G 时，它可以从全局 G 队列获取 G

go func()的调用流程

我们通过 go func () 来创建一个 goroutine
有两个存储 G 的队列，一个是局部调度器 P 的本地队列、一个是全局 G 队列。新创建的 G 会先保存在 P 的本地队列中，如果 P 的本地队列已经满了就会保存在全局的队列中
G 只能运行在 M 中，一个 M 必须持有一个 P，M 与 P 是 1：1 的关系。M 会从 P 的本地队列弹出一个可执行状态的 G 来执行，如果 P 的本地队列为空，就会想其他的 MP 组合偷取一个可执行的 G 来执行
一个 M 调度 G 执行的过程是一个循环机制
当 M 执行某一个 G 时候如果发生了 syscall 或则其余阻塞操作，M 会阻塞，如果当前有一些 G 在执行，runtime 会把这个线程 M 从 P 中摘除 (detach)，然后再创建一个新的操作系统的线程 (如果有空闲的线程可用就复用空闲线程) 来服务于这个 P
当 M 系统调用结束时候，这个 G 会尝试获取一个空闲的 P 执行，并放入到这个 P 的本地队列。如果获取不到 P，那么这个线程 M 变成休眠状态，加入到空闲线程中，然后这个 G 会被放入全局队列中

特殊的M0和G0

M0

M0是启动程序后的编号为 0 的主线程，这个M对应的实例会在全局变量runtime.m0中，不需要在heap上分配，M0负责执行初始化操作和启动第一个G，在之后M0就和其他的M一样了
G0

G0是每次启动一个M都会第一个创建的gourtine，G0仅用于负责调度的G，G0不指向任何可执行的函数，每个 M 都会有一个自己的G0。在调度或系统调用时会使用G0的栈空间，全局变量的G0是M0的G0

CigaCase

进程、线程、协程：以GMP为例