谈谈Golang中goroutine的调度问题

goroutine的调度问题，同样也是我之前面试的问题，不过这个问题我当时并不是很清楚，回来以后立马查阅资料，现整理出来备忘。

有一些预备知识需要说明，就是操作系统中的线程。操作系统中的线程分为两种：内核线程和用户线程。用户平时使用的线程并不是内核线程，而是存在于用户态的用户线程。用户线程并不一定在操作系统内核中对用同等数量的内核线程。这里有三个模型：

1.一对一模型(1:1)

2. 多对一模型(N:1)

3. 多对多模型(N:M)

下面就先来谈谈这三种线程模型。

1.一对一模型(1:1)

对于支持线程的操作系统来说，一对一模型是最简单的一种线程模型了，一个用户线程唯一对应一个内核线程，但反过来却不一定，一个内核线程并不一定有对应的用户线程存在。这样一来，由于一个内核线程至多只对应一个用户线程，线程之间可以做到最大程度的并发，不同线程之间不会相互影响，比如一个线程阻塞了也不会影响到其他线程的执行。对于多处理器，一对一的线程模型效率更高。但是很多操作系统限制了内核线程的数量，如果采用一对一模型，用户线程的数量也会受到比较大的限制。而且很多操作系统的内核线程在调度时开销较大，这也会影响用户线程的效率。

2. 多对一模型(N:1)

多对一模型意味着多个用户线程对应一个内核线程，用户线程间的切换由代码控制，因为线程间切换的效率比较高(不用陷入内核区去切换)。不过如果其中一个用户线程阻塞了，则和它对应相同内核线程的那些用户线程也都会阻塞，因为内核线程是被共用的(且是绑定的)，此时它无法抽身出来。而且增加处理器个数对于多对一线程模型帮助也不大，毕竟在这种情况下，一个线程阻塞，相关线程也跟着遭殃的事实和处理器个数关系不大。这种模型的好处是线程间切换开销低，且线程数量可以很多。

3. 多对多模型(N:M)

多对多线程模型可以说是上面两种模型的结合，也是最复杂的，它把多个用户线程对应到多个内核线程上，且很多时候不是唯一绑定的。因此一个内核线程在一个时间点可以对应0到多个用户线程。且在运行期间，系统可以根据线程执行情况做合理分配。比如用户线程1、用户线程2和用户线程3对应到一个内核线程1，如果用户线程1阻塞了，系统可以调度用户线程2和用户线程3到其他内核线程上去，这是个动态的过程。多对多线程模型的优势是可以让系统资源得到比较均衡的使用，用户线程之间互相影响比较小，且在多处理器上表现不错(虽然增加处理器个数对它性能提升可能不如一对一模型那么高)，关键是它很灵活。

Golang的goroutine调度和多对多模型密切相关，Golang自己有自己的调度器scheduler。Golang的调度器内部有三个重要结构：M、P和G。

M: 代表内核线程。

G: 代表一个goroutine，它有自己的栈，指令指针和一些基本信息，用于被调度。

P: 代表调度的上下文，是Golang内部的调度器，负责让多个goroutine在一个内核线程上运行，它实现了N:1到N:M。

可以看到在某个时刻，一个M对应到一个P，一个P上有一个正在运行的G(蓝色的G)，且这个P上可能还有多个G等待被调度(灰色的G)，P维护着这个调度队列(runqueue)。P的数量可以通过GOMAXPROCS()来设置，它其实也就代表了真正的并发度，即有多少个goroutine可以同时运行。不过需要注意，GOMAXPROCS()的最大值是256。当要启动一个goroutine时，只需要用go function(args)即可，一但我们启动了一个goroutine，就会在runqueue队尾加入这个goroutine，P会负责调度这些goroutine。

那么如果在某个M被阻塞了呢？这时候就是N:M模型的关键之处了，此时P可以被安排到其他M上去执行，由于P内部维护着一些G的信息，这些G都有独立的栈和指令指针这些基本信息，所以可以很方便地直接换到另一个未被阻塞的M下。

上图描述了这种情况，在左边，G0正在运行，当G0由于系统调用被阻塞时，调度器会创建或者从线程缓存中取得一个线程M1，转投M1。当G0返回时，它必须获得一个P来执行，此时一般是先查看系统中有没有空闲的P，如果有，就获得一个P，用这个P来执行，如果没能获得一个P，这个G0只能暂时放置到一个全局的执行队列(global runqueue)中，它所处的线程M0也就sleep了。系统中的P们会周期性地检查这个队列，取出里面的G来运行。

如上图，还有一种情况是，某个M上的P被分配的G很快就被执行完了，这时M和P都处于闲置状态，无事可做。但也不可能看着其他的P忙碌自己不帮忙吧，此时会先去global runqueue中检查是否有G可以拿，如果并没有，只好尝试去其他P上“偷”一些G来执行，一般就是偷对方runqueue大小的一半，如果还是没偷到，那该只好sleep，该P放入一个闲置的P队列结构等待再次被调度。

 

这样处理，就保证了系统中的G能被有效快速地执行，充分利用了系统资源。

注：以上部分信息和图片来自The Go scheduler。