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golang的線程模型——GMP模型

內(nèi)核線程（Kernel-Level Thread ，KLT）

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輕量級進(jìn)程（Light Weight Process,LWP）：輕量級進(jìn)程就是我們通常意義上所講的線程，由于每個輕量級進(jìn)程都由一個內(nèi)核線程支持，因此只有先支持內(nèi)核線程，才能有輕量級進(jìn)程

用戶線程與系統(tǒng)線程一一對應(yīng)，用戶線程執(zhí)行如lo操作的系統(tǒng)調(diào)用時，來回切換操作開銷相對比較大

多個用戶線程對應(yīng)一個內(nèi)核線程，當(dāng)內(nèi)核線程對應(yīng)的一個用戶線程被阻塞掛起時候，其他用戶線程也阻塞不能執(zhí)行了。

多對多模型是可以充分利用多核CPU提升運行效能的

go線程模型包含三個概念：內(nèi)核線程(M)，goroutine(G),G的上下文環(huán)境（P）；

GMP模型是goalng特有的。

P與M一般是一一對應(yīng)的。P（上下文）管理著一組G（goroutine）掛載在M（內(nèi)核線程）上運行，圖中左邊藍(lán)色為正在執(zhí)行狀態(tài)的goroutine，右邊為待執(zhí)行狀態(tài)的goroutiine隊列。P的數(shù)量由環(huán)境變量GOMAXPROCS的值或程序運行runtime.GOMAXPROCS()進(jìn)行設(shè)置。

當(dāng)一個os線程在執(zhí)行M1一個G1發(fā)生阻塞時，調(diào)度器讓M1拋棄P，等待G1返回，然后另起一個M2接收P來執(zhí)行剩下的goroutine隊列（G2、G3...），這是golang調(diào)度器厲害的地方，可以保證有足夠的線程來運行剩下所有的goroutine。

當(dāng)G1結(jié)束后，M1會重新拿回P來完成，如果拿不到就丟到全局runqueue中，然后自己放到線程池或轉(zhuǎn)入休眠狀態(tài)?？臻e的上下文P會周期性的檢查全局runqueue上的goroutine，并且執(zhí)行它。

另一種情況就是當(dāng)有些P1太閑而其他P2很忙碌的時候，會從其他上下文P2拿一些G來執(zhí)行。

詳細(xì)可以翻看下方第一個參考鏈接，寫得真好。

最后用大佬的總結(jié)來做最后的收尾————

Go語言運行時，通過核心元素G，M，P 和自己的調(diào)度器，實現(xiàn)了自己的并發(fā)線程模型。調(diào)度器通過對G，M，P的調(diào)度實現(xiàn)了兩級線程模型中操作系統(tǒng)內(nèi)核之外的調(diào)度任務(wù)。整個調(diào)度過程中會在多種時機(jī)去觸發(fā)最核心的步驟 “一整輪調(diào)度”，而一整輪調(diào)度中最關(guān)鍵的部分在“全力查找可運行G”，它保證了M的高效運行（換句話說就是充分使用了計算機(jī)的物理資源），一整輪調(diào)度中還會涉及到M的啟用停止。最后別忘了，還有一個與Go程序生命周期相同的系統(tǒng)監(jiān)測任務(wù)來進(jìn)行一些輔助性的工作。

淺析Golang的線程模型與調(diào)度器

Golang CSP并發(fā)模型

Golang線程模型

為什么要使用 Go 語言?Go 語言的優(yōu)勢在哪里?

1、簡單易學(xué)。

Go語言的作者本身就很懂C語言，所以同樣Go語言也會有C語言的基因，所以對于程序員來說，Go語言天生就會讓人很熟悉，容易上手。

2、并發(fā)性好。

Go語言天生支持并發(fā)，可以充分利用多核，輕松地使用并發(fā)。這是Go語言最大的特點。

描述

Go的語法接近C語言，但對于變量的聲明有所不同。Go支持垃圾回收功能。Go的并行模型是以東尼·霍爾的通信順序進(jìn)程（CSP）為基礎(chǔ)，采取類似模型的其他語言包括Occam和Limbo，但它也具有Pi運算的特征，比如通道傳輸。

在1.8版本中開放插件（Plugin）的支持，這意味著現(xiàn)在能從Go中動態(tài)加載部分函數(shù)。

與C++相比，Go并不包括如枚舉、異常處理、繼承、泛型、斷言、虛函數(shù)等功能，但增加了切片(Slice) 型、并發(fā)、管道、垃圾回收、接口（Interface）等特性的語言級支持。

面試問題總結(jié)（一）Golang

使用go語言的好處: go語言的設(shè)計是務(wù)實的, go在針對并發(fā)上進(jìn)行了優(yōu)化, 并且支持大規(guī)模高并發(fā), 又由于單一的碼格式, 相比于其他語言更具有可讀性, 在垃圾回收上比java和Python更有效, 因為他是和程序同時執(zhí)行的.

1. 進(jìn)程, 線程, 協(xié)程的區(qū)別, 協(xié)程的優(yōu)勢

2. 講一下GMP模型(重點)

3. Go的GC, 混合寫屏障(重點)

4. go的Slice和數(shù)組的區(qū)別, slice的擴(kuò)容原理(重點)

5. 講一下channel,實現(xiàn)原理(重點)

6. 講一下Go的Map的實現(xiàn)原理, 是否線程安全, 如何實現(xiàn)安全(重點)

7. new 和 make 的區(qū)別

8. 說一下內(nèi)存逃逸

9. 函數(shù)傳指針和傳值有什么區(qū)別

10. goroutine之間的通信方式

11. 測試是怎么做的(單元測試, 壓力測試)

12. 堆和棧的區(qū)別

【golang詳解】go語言GMP(GPM)原理和調(diào)度

Goroutine調(diào)度是一個很復(fù)雜的機(jī)制，下面嘗試用簡單的語言描述一下Goroutine調(diào)度機(jī)制，想要對其有更深入的了解可以去研讀一下源碼。

首先介紹一下GMP什么意思：

G ----------- goroutine: 即Go協(xié)程，每個go關(guān)鍵字都會創(chuàng)建一個協(xié)程。

M ---------- thread內(nèi)核級線程，所有的G都要放在M上才能運行。

P ----------- processor處理器，調(diào)度G到M上，其維護(hù)了一個隊列，存儲了所有需要它來調(diào)度的G。

Goroutine 調(diào)度器P和 OS 調(diào)度器是通過 M 結(jié)合起來的，每個 M 都代表了 1 個內(nèi)核線程，OS 調(diào)度器負(fù)責(zé)把內(nèi)核線程分配到 CPU 的核上執(zhí)行

模型圖：

避免頻繁的創(chuàng)建、銷毀線程，而是對線程的復(fù)用。

1）work stealing機(jī)制

當(dāng)本線程無可運行的G時，嘗試從其他線程綁定的P偷取G，而不是銷毀線程。

2）hand off機(jī)制

當(dāng)本線程M0因為G0進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)用阻塞時，線程釋放綁定的P，把P轉(zhuǎn)移給其他空閑的線程執(zhí)行。進(jìn)而某個空閑的M1獲取P，繼續(xù)執(zhí)行P隊列中剩下的G。而M0由于陷入系統(tǒng)調(diào)用而進(jìn)被阻塞，M1接替M0的工作，只要P不空閑，就可以保證充分利用CPU。M1的來源有可能是M的緩存池，也可能是新建的。當(dāng)G0系統(tǒng)調(diào)用結(jié)束后，根據(jù)M0是否能獲取到P，將會將G0做不同的處理：

如果有空閑的P，則獲取一個P，繼續(xù)執(zhí)行G0。

如果沒有空閑的P，則將G0放入全局隊列，等待被其他的P調(diào)度。然后M0將進(jìn)入緩存池睡眠。

如下圖

GOMAXPROCS設(shè)置P的數(shù)量，最多有GOMAXPROCS個線程分布在多個CPU上同時運行

在Go中一個goroutine最多占用CPU 10ms，防止其他goroutine被餓死。

具體可以去看另一篇文章

【Golang詳解】go語言調(diào)度機(jī)制搶占式調(diào)度

當(dāng)創(chuàng)建一個新的G之后優(yōu)先加入本地隊列，如果本地隊列滿了，會將本地隊列的G移動到全局隊列里面，當(dāng)M執(zhí)行work stealing從其他P偷不到G時，它可以從全局G隊列獲取G。

協(xié)程經(jīng)歷過程

我們創(chuàng)建一個協(xié)程 go func()經(jīng)歷過程如下圖：

說明：

這里有兩個存儲G的隊列，一個是局部調(diào)度器P的本地隊列、一個是全局G隊列。新創(chuàng)建的G會先保存在P的本地隊列中，如果P的本地隊列已經(jīng)滿了就會保存在全局的隊列中；處理器本地隊列是一個使用數(shù)組構(gòu)成的環(huán)形鏈表，它最多可以存儲 256 個待執(zhí)行任務(wù)。

G只能運行在M中，一個M必須持有一個P，M與P是1：1的關(guān)系。M會從P的本地隊列彈出一個可執(zhí)行狀態(tài)的G來執(zhí)行，如果P的本地隊列為空，就會想其他的MP組合偷取一個可執(zhí)行的G來執(zhí)行；

一個M調(diào)度G執(zhí)行的過程是一個循環(huán)機(jī)制；會一直從本地隊列或全局隊列中獲取G

上面說到P的個數(shù)默認(rèn)等于CPU核數(shù)，每個M必須持有一個P才可以執(zhí)行G，一般情況下M的個數(shù)會略大于P的個數(shù)，這多出來的M將會在G產(chǎn)生系統(tǒng)調(diào)用時發(fā)揮作用。類似線程池，Go也提供一個M的池子，需要時從池子中獲取，用完放回池子，不夠用時就再創(chuàng)建一個。

work-stealing調(diào)度算法：當(dāng)M執(zhí)行完了當(dāng)前P的本地隊列隊列里的所有G后，P也不會就這么在那躺尸啥都不干，它會先嘗試從全局隊列隊列尋找G來執(zhí)行，如果全局隊列為空，它會隨機(jī)挑選另外一個P，從它的隊列里中拿走一半的G到自己的隊列中執(zhí)行。

如果一切正常，調(diào)度器會以上述的那種方式順暢地運行，但這個世界沒這么美好，總有意外發(fā)生，以下分析goroutine在兩種例外情況下的行為。

Go runtime會在下面的goroutine被阻塞的情況下運行另外一個goroutine：

用戶態(tài)阻塞/喚醒

當(dāng)goroutine因為channel操作或者network I/O而阻塞時（實際上golang已經(jīng)用netpoller實現(xiàn)了goroutine網(wǎng)絡(luò)I/O阻塞不會導(dǎo)致M被阻塞，僅阻塞G，這里僅僅是舉個栗子），對應(yīng)的G會被放置到某個wait隊列(如channel的waitq)，該G的狀態(tài)由_Gruning變?yōu)開Gwaitting，而M會跳過該G嘗試獲取并執(zhí)行下一個G，如果此時沒有可運行的G供M運行，那么M將解綁P，并進(jìn)入sleep狀態(tài)；當(dāng)阻塞的G被另一端的G2喚醒時（比如channel的可讀/寫通知），G被標(biāo)記為，嘗試加入G2所在P的runnext（runnext是線程下一個需要執(zhí)行的 Goroutine。），然后再是P的本地隊列和全局隊列。

系統(tǒng)調(diào)用阻塞

當(dāng)M執(zhí)行某一個G時候如果發(fā)生了阻塞操作，M會阻塞，如果當(dāng)前有一些G在執(zhí)行，調(diào)度器會把這個線程M從P中摘除，然后再創(chuàng)建一個新的操作系統(tǒng)的線程(如果有空閑的線程可用就復(fù)用空閑線程)來服務(wù)于這個P。當(dāng)M系統(tǒng)調(diào)用結(jié)束時候，這個G會嘗試獲取一個空閑的P執(zhí)行，并放入到這個P的本地隊列。如果獲取不到P，那么這個線程M變成休眠狀態(tài)，加入到空閑線程中，然后這個G會被放入全局隊列中。

隊列輪轉(zhuǎn)

可見每個P維護(hù)著一個包含G的隊列，不考慮G進(jìn)入系統(tǒng)調(diào)用或IO操作的情況下，P周期性的將G調(diào)度到M中執(zhí)行，執(zhí)行一小段時間，將上下文保存下來，然后將G放到隊列尾部，然后從隊列中重新取出一個G進(jìn)行調(diào)度。

除了每個P維護(hù)的G隊列以外，還有一個全局的隊列，每個P會周期性地查看全局隊列中是否有G待運行并將其調(diào)度到M中執(zhí)行，全局隊列中G的來源，主要有從系統(tǒng)調(diào)用中恢復(fù)的G。之所以P會周期性地查看全局隊列，也是為了防止全局隊列中的G被餓死。

M0是啟動程序后的編號為0的主線程，這個M對應(yīng)的實例會在全局變量rutime.m0中，不需要在heap上分配，M0負(fù)責(zé)執(zhí)行初始化操作和啟動第一個G，在之后M0就和其他的M一樣了

G0是每次啟動一個M都會第一個創(chuàng)建的goroutine，G0僅用于負(fù)責(zé)調(diào)度G，G0不指向任何可執(zhí)行的函數(shù)，每個M都會有一個自己的G0，在調(diào)度或系統(tǒng)調(diào)用時會使用G0的棧空間，全局變量的G0是M0的G0

一個G由于調(diào)度被中斷，此后如何恢復(fù)？

中斷的時候?qū)⒓拇嫫骼锏臈Ｐ畔?，保存到自己的G對象里面。當(dāng)再次輪到自己執(zhí)行時，將自己保存的棧信息復(fù)制到寄存器里面，這樣就接著上次之后運行了。

我這里只是根據(jù)自己的理解進(jìn)行了簡單的介紹，想要詳細(xì)了解有關(guān)GMP的底層原理可以去看Go調(diào)度器 G-P-M 模型的設(shè)計者的文檔或直接看源碼

參考： ()

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本文題目：go語言gmp模型 go語言模塊
本文來源：http://muchs.cn/article42/ddihchc.html

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