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Goroutine 调度模型

2015年04月29日

前言

The Go scheduler为什么Go 运行时需要一个用户态的调度器?

  1. 线程调度成本高,比如context switch比如陷入内核执行,如创建一个 Goroutine 的栈内存消耗为 2 KB,而 thread 占用 1M 以上空间
  2. 操作系统在Go模型下不能做出好的调度决策。os 只能根据时间片做一些简单的调度。

调度的本质Go 调度的本质是一个生产-消费流程,生产端是正在运行的 goroutine 执行 go func(){}() 语句生产出 goroutine 并塞到三级队列中去(包含P的runnext),消费端则是 Go 进程中的 m 在不断地执行调度循环。运行时(runtime)能够将goroutine多路复用到一个小的线程池中。这个观点非常新颖,这种熟悉加意外的效果其实就是你成长的时机。

调度器的任务是给不同的工作线程 (worker thread) 分发可供运行的(ready-to-run)Goroutine。

万字长文深入浅出 Golang Runtime调度在计算机中是分配工作所需资源的方法,linux的调度为CPU找到可运行的线程,而Go的调度是为M(线程)找到P(内存、执行票据)和可运行的G。

调度模型的演化

Go语言goroutine调度器概述(11) 调度就是创建一个操作系统线程执行schedule函数

// 程序启动时的初始化代码
......
for i := 0; i < N; i++{ // 创建N个操作系统线程执行schedule函数
    create_os_thread(schedule) // 创建一个操作系统线程执行schedule函数
}
//schedule函数实现调度逻辑
func schedule() {
   for { // 调度循环
         // 根据某种算法从M个goroutine中找出一个需要运行的goroutine
         g = find_a_runnable_goroutine_from_M_goroutines()
         run_g(g) // CPU运行该goroutine,直到需要调度其它goroutine才返回
         save_status_of_g(g) // 保存goroutine的状态,主要是寄存器的值
    }
}

GM模型

go1.1 之前都是该模型, 单线程调度器(0.x) 和多线程调度器(1.0),单线程调度器(0.x) 核心逻辑如下

static void scheduler(void) {
	G* gp;
    lock(&sched);
	if(gosave(&m->sched)){       // 保存栈寄存器和程序计数器
		lock(&sched);
		gp = m->curg;
		switch(gp->status){
		case Grunnable:
		case Grunning:
			gp->status = Grunnable;
			gput(gp);
			break;
		...
		}
		notewakeup(&gp->stopped);
	}
	gp = nextgandunlock();      // 获取下一个需要运行的 Goroutine 并解锁调度器
	noteclear(&gp->stopped);
	gp->status = Grunning;
	m->curg = gp;               // 修改全局线程 m 上要执行的 Goroutine;
	g = gp;
	gogo(&gp->sched);           // 运行最新的 Goroutine
}

在这个阶段,goroutine 调度跟 java 的ThreadPool 是一样一样的,除了io操作会阻塞线程外,java Executor也可以视为一个用户态线程调度框架。runnable 表示运行逻辑 提交到queue,ThreadPool 维持多个线程 从queue 中取出runnable 并执行。调度器本身(schedule 方法),在正常流程下,是不会返回的,也就是不会结束主流程。schedule 会不断地运行调度流程,GoroutineA 完成了,就开始寻找 GoroutineB,寻找到 B 了,就把已经完成的 A 的调度权交给 B,让 GoroutineB 开始被调度,一直继续下去。当然了,也有被正在阻塞(Blocked)的 G。假设 G 正在做一些系统、网络调用,那么就会导致 G 停滞。这时候 M(系统线程)就会被会重新放内核队列中,等待新的一轮唤醒。

GPM模型

static void schedule(void) {
    G *gp;
 top:
    if(runtime·gcwaiting) {     // 如果当前运行时在等待垃圾回收,调用 runtime.gcstopm 函数;
        gcstopm();
        goto top;
    }
    gp = runqget(m->p);         // 从本地运行队列中获取待执行的 Goroutine;
    if(gp == nil)
        gp = findrunnable();    // 从全局的运行队列中获取待执行的 Goroutine;
    ...
    execute(gp);                // 在当前线程 M 上运行 Goroutine
}

为什么引入Processor 的概念?为什么把全局队列打散? 它存在的意义在于实现工作窃取(work stealing)算法

  1. 在没有 P 的情况下,所有的 G 只能放在一个全局的队列中。对全局队列的操作均需要竞争同一把锁,mutex 需要保护所有与 goroutine 相关的操作(创建、完成、重排等), 导致伸缩性不好.
  2. GM 模型下一个协程派生的协程也会放入全局的队列, 大概率是被其他 m运行了, “父子协程” 被不同的m 运行,内存亲和性不好。

The Go scheduler为什么我们需要P?我们不能把任务队列直接挂载到M上而去掉P吗?就像linux 那样为每个cpu维护了一个 runqueue 结构

答案是不行。如果G 包含同步调用,会导致执行G 的M阻塞,进而导致 与M 绑定的所有runq 上的 G 无法执行。将M 和 runq 拆分,M 可以阻塞,M 阻塞后,runq 交由新的M 执行。对runq 及相关信息进行抽象 得到P,我们通过P把任务队列挂载到其它线程中。M 并不保留 G 状态,这是 G 可以跨 M 调度的基础

Go: Goroutine, OS Thread and CPU Management 来讲述GPM时,用到了 orchestration 这个词, Go has its own scheduler to distribute goroutines over the threads. This scheduler defines three main concepts

goroutine调度模型的四个抽象及其数据结构

Go 语言设计与实现-调度器goroutine调度模型4个重要结构,分别是M、G、P、Sched,前三个定义在runtime.h中,Sched定义在proc.c中。

P 的数量决定了系统内最大可并行的 G 的数量(前提:物理 CPU 核数 >= P 的数量)。P 的数量由用户设置的 GoMAXPROCS 决定,但是不论 GoMAXPROCS 设置为多大,P 的数量最大为 256。M 的数量是不定的,由 Go Runtime 调整,为了防止创建过多 OS 线程导致系统调度不过来,目前默认最大限制为 10000 个。

理解 M、P、G 三者的关系,可以通过经典的地鼠推车搬砖的模型来说明其三者关系:地鼠(Gopher)的工作任务是:工地上有若干砖头,地鼠借助小车把砖头运送到火种上去烧制。M 就可以看作图中的地鼠,P 就是小车,G 就是小车里装的砖。

G

Go语言goroutine调度器概述(11)系统线程对goroutine的调度与内核对系统线程的调度原理是一样的,实质都是通过保存和修改CPU寄存器的值来达到切换线程/goroutine的目的。为了实现对goroutine的调度,需要引入一个数据结构来保存CPU寄存器的值(具体的说就是栈指针、pc指针)以及goroutine的其它一些状态信息。调度器代码可以通过g对象来对goroutine进行调度,当goroutine被调离CPU时,调度器代码负责把CPU寄存器的值保存在g对象的成员变量之中,当goroutine被调度起来运行时,调度器代码又负责把g对象的成员变量所保存的寄存器的值恢复到CPU的寄存器。PS:函数不是并发执行体,所以函数切换只需要保留栈指针就可以了。

G是goroutine实现的核心结构,G维护了goroutine需要的栈、程序计数器以及它所在的M等信息。一个协程代表了一个执行流,执行流有需要执行的函数(startpc),有函数的入参,有当前执行流的状态和进度(对应 CPU 的 PC 寄存器和 SP 寄存器),当然也需要有保存状态的地方,用于执行流恢复。

type g struct {
    m              *m           //  当前 Goroutine 占用的线程,可能为空;
    sched          gobuf        //  存储 Goroutine 的调度相关的数据
    atomicstatus   uint32       // Goroutine 的状态
    goid           int64        // Goroutine 的 ID,该字段对开发者不可见
    // 与栈相关
    stack       stack           // 描述了当前 Goroutine 的栈内存范围 [stack.lo, stack.hi)
    stackguard0 uintptr         // 用于调度器抢占式调度
    // 与抢占相关
    preempt       bool // 抢占信号
    preemptStop   bool // 抢占时将状态修改成 `_Gpreempted`
    preemptShrink bool // 在同步安全点收缩栈
    // defer 和 panic 相关
    _panic       *_panic // 最内侧的 panic 结构体
    _defer       *_defer // 最内侧的延迟函数结构体
}
type gobuf struct {     // 让出cpu 时,将寄存器信息保留在这里。即将获得cpu时,将这里的信息加载到寄存器
    sp   uintptr        // 栈指针(Stack Pointer)
    pc   uintptr        // 程序计数器(Program Counter)
    g    guintptr       // 持有 runtime.gobuf 的 Goroutine
    ret  sys.Uintreg    // 系统调用的返回值
    ...
}

结构体 g 的字段 atomicstatus 就存储了当前 Goroutine 的状态,可选值为

虽然 Goroutine 在运行时中定义的状态非常多而且复杂,但是我们可以将这些不同的状态聚合成最终的三种:等待中(比如正在执行系统调用或同步操作)、可运行、运行中(占用M),在运行期间我们会在这三种不同的状态来回切换。

M

调度器最多可以创建 10000 个线程,但是其中大多数的线程都不会执行用户代码(可能陷入系统调用),最多只会有 GOMAXPROCS 个活跃线程能够正常运行。在默认情况下,运行时会将 GOMAXPROCS 设置成当前机器的核数。

M代表内核级线程,一个M就是一个线程,goroutine就是跑在M之上 ;

type m struct {
	g0   *g         // 用于执行调度指令的 Goroutine
    curg *g         // 在当前线程上运行的用户 Goroutine
    p             puintptr  // 正在运行代码的处理器 p
	nextp         puintptr  // 暂存的处理器 nextp
	oldp          puintptr  // 执行系统调用之前的使用线程的处理器 oldp
	...
}

g0 是一个运行时中比较特殊的 Goroutine,它会深度参与运行时的调度过程,包括 Goroutine 的创建、大内存分配和 CGO 函数的执行。

如果只有一个os thread,那么就只会有一个m结构体对象,问题就很简单,定义一个全局的m结构体变量就行了。可是我们有多个os thread和多个m需要一一对应,怎么办呢?线程本地存储其实就是线程私有的全局变量,每个工作线程在刚刚被创建出来进入调度循环之前就利用线程本地存储机制为该工作线程实现了一个指向m结构体实例对象的私有全局变量,这样在之后的代码中就使用该全局变量来访问自己的m结构体对象,进而访问与m相关联的p和g对象。

P

P全称是Processor,处理器,表示调度的上下文,它可以被看做一个运行于线程 M 上的本地调度器,所以它维护了一个goroutine队列(环形链表),里面存储了所有需要它来执行的goroutine。通过处理器 P 的调度,每一个内核线程都能够执行多个 Goroutine,它能在 Goroutine 进行一些 I/O 操作时及时切换,提高线程的利用率。

P 整个结构除去 本地 G 队列外,就是一些性能追踪、内存分配(mcache)、统计、调试、GC 辅助的字段了。

struct P {
    Lock;
    uint32	status;     // p 的状态
    P*	link;
    uint32	tick;
    M*	m;              // 执行runq 的M
    MCache*	mcache;
    G**	runq;           // 运行的 Goroutine 组成的环形的运行队列
    int32	runqhead;
    int32	runqtail;
    int32	runqsize;
    G*	gfree;
};

runhead、runqtail、runq 以及 runnext 等字段表示P持有的运行队列,该运行队列是一个使用数组构成的环形链表,其中最多能够存储 256 个指向Goroutine 的指针,除了 runq 中能够存储待执行的 Goroutine 之外,runnext 指向的 Goroutine 会成为下一个被运行的 Goroutine

p 结构体中的状态 status 可选值

  1. _Pidle 处理器没有运行用户代码或者调度器,运行队列为空
  2. _Prunning 被线程 M 持有,并且正在执行用户代码或者调度器
  3. _Psyscall 没有执行用户代码,当前线程陷入系统调用
  4. _Pgcstop 被线程 M 持有,当前处理器由于垃圾回收被停止
  5. _Pdead 当前处理器已经不被使用

Sched

调度器,所有 Goroutine 被调度的核心,存放了调度器持有的全局资源,以及访问这些资源需要的锁。

Go语言goroutine调度器概述(11)要实现对goroutine的调度,仅仅有g结构体对象是不够的,至少还需要一个存放所有(可运行)goroutine的容器,便于工作线程寻找需要被调度起来运行的goroutine,于是Go调度器又引入了schedt结构体,一方面用来保存调度器自身的状态信息,另一方面它还拥有一个用来保存goroutine的运行队列。因为每个Go程序只有一个调度器,所以在每个Go程序中schedt结构体只有一个实例对象,该实例对象在源代码中被定义成了一个共享的全局变量,这样每个工作线程都可以访问它以及它所拥有的goroutine运行队列,我们称这个运行队列为全局运行队列。

// src/runtime/runtime2.go
type schedt struct {
	midle        muintptr   // 空闲的 M 列表
	pidle      puintptr     // 空闲 p 链表
	runq     gQueue 	// 全局 runnable G 队列
	runqsize int32
	// defer 结构的池
	deferlock mutex
	deferpool [5]*_defer 
	gcwaiting  uint32 // gc is waiting to run
}

重要的全局变量,尤其是allgs/allm/allp

allgs    []*g           // 保存所有的g
allm      *m            // 所有的m构成的一个链表,包括下面的m0
allp      []*p          // 保存所有的p,len(allp) == gomaxprocs
ncpu             int32  // 系统中cpu核的数量,程序启动时由runtime代码初始化
gomaxprocs  int32       // p的最大值,默认等于ncpu,但可以通过GOMAXPROCS修改
sched     schedt        // 调度器结构体对象,记录了调度器的工作状态
m0 m                    // 代表进程的主线程
g0  g                   // m0的g0,也就是m0.g0 = &g0

与函数的关系

20 世纪 60 年代高德纳(Donald Ervin Knuth)总结两种子过程(Subroutine):一种是我们常见的函数调用的方式,而另一种就是协程。和函数的区别是,函数调用时,调用者跟被调用者之间像是一种上下级的关系;而在协程中,调用者跟被调用者更像是互相协作的关系,比如一个是生产者,一个是消费者。

和函数的区别是,函数调用时,调用者跟被调用者之间像是一种上下级的关系;当我们使用函数的时候,简单地保持一个调用栈就行了。当 fun1 调用 fun2 的时候,就往栈里增加一个新的栈帧,用于保存 fun2 的本地变量、参数等信息;这个函数执行完毕的时候,fun2 的栈帧会被弹出(恢复栈顶指针 sp),并跳转到返回地址(调用 fun2 的下一条指令),继续执行调用者 fun1 的代码。

而在协程中,调用者跟被调用者更像是互相协作的关系,比如一个是生产者,一个是消费者。如果调用的是协程 coroutine1,该怎么处理协程的栈帧呢?因为协程并没有执行完,显然还不能把它简单地丢掉。这种情况下,程序可以从堆里申请一块内存,保存协程的活动记录,包括本地变量的值、程序计数器的值(当前执行位置)等等。这样,当下次再激活这个协程的时候,可以在栈帧和寄存器中恢复这些信息。

  1. Stackful Coroutine,每个协程,都有一个自己专享的协程栈。可以在协程栈的任意一级,暂停协程的运行。可以从一个线程脱离,附加到另一个线程上。PS: Go中的G 所表达的主要内容
  2. Stackless Coroutine,在主栈上运行协程的机制,会被绑定在创建它的线程上

G0

聊聊 g0linux 执行调度任务:cpu 发生时间片中断,正在执行的线程 被剥离cpu,cpu 执行调度 程度寻找下一个线程并执行。 调度程度 的运行依托 栈、寄存器等上下文环境。对于go 来说,每一个线程 一直在执行一个 调度循环schedule()->execute()->gogo()->g2()->goexit()->goexit1()->mcall()->goexit0()->schedule() ,每个被调度的协程 有自己的栈 等 空间,那么先后执行的 两个协程之间 运行 schedule 这些逻辑时,也需要一些栈空间,这些都归属于g0。

Go: g0, Goroutine for SchedulingGo has to schedule and manage goroutines on each of the running threads. This role is delegated to a special goroutine, called g0, that is the first goroutine created for each OS thread. 以下图为例,在g7 被挂起后,运行g0,选择g2 来执行。

此外 g0 has a fix and larger stack. This allows Go to perform operations where a bigger stack is needed. 比如 Goroutine creation, Defer functions allocations, Garbage collector operations

补充

过去的语言(如C语言)只是提供标准的库,让你访问操作系统的线程管理功能,包括信号量、同步互斥什么的。Java语言增加了一些专门处理多线程的元素,比如synchronized关键字。go语言又更进一步,把操作系统的线程进行了封装,变成了轻量级的goroutine。

goroutine一些重要设计:

  1. 堆栈开始很小(只有 4K),但可按需自动增长;
  2. 坚决干掉了 “线程局部存储(TLS)” 特性的支持,让执行体更加精简;
  3. 提供了同步、互斥和其他常规执行体间的通讯手段,包括大家非常喜欢的 channel;
  4. 提供了几乎所有重要的系统调用(尤其是 IO 请求)的包装。

Scheduling In Go : Part I - OS Scheduler Scheduling In Go : Part II - Go Scheduler Scheduling In Go : Part III - Concurrency

笔者今日学习Joe Armstrong的博士论文《面对软件错误构建可靠的分布式系统》,文中提到“在构建可容错软件系统的过程中要解决的本质问题就是故障隔离。”操作系统进程本身就是一种天然的故障隔离机制,当然从另一个层面,进程间还是因为共享cpu和内存等原因相互影响。进程要想达到容错性,就不能与其他进程有共享状态;它与其他进程的唯一联系就是由内核消息系统传递的消息。

goroutine与调度器