面试题：Go的调度器与线程管理的关系

Question

Go语言拥有自己的调度器（Goroutine Scheduler）。请详细阐述Go调度器的工作原理，包括M:N调度模型（M个操作系统线程对应N个goroutine），以及它是如何高效管理大量goroutine的，并且说明这种调度模型在多核CPU环境下的优势与挑战。

Answer 1

Go调度器工作原理

1. M:N调度模型：
   • Goroutine（G）：是Go语言中轻量级的执行单元，由Go运行时管理。它非常轻量，创建和销毁的开销很小。
   • M（Machine）：代表操作系统线程。一个M对应一个操作系统线程，它负责执行G。
   • P（Processor）：处理器，它维护了一个本地的G队列，并且关联一个M。P的数量默认等于CPU的核心数，可以通过runtime.GOMAXPROCS函数进行设置。
   • 工作流程：G被创建后，会被放入某个P的本地队列。M从P的本地队列中获取G并执行。如果P的本地队列为空，M会尝试从其他P的本地队列中偷取一半的G（work - stealing机制）。如果所有P的本地队列都为空，M会从全局G队列中获取G。
2. 高效管理大量goroutine的方式：
   • 轻量级线程：Goroutine的实现非常轻量，相比操作系统线程，其创建、销毁和切换的开销都极小，这使得可以轻松创建大量的goroutine。
   • 工作窃取算法：当某个M执行完自己P本地队列中的G后，会从其他P的本地队列中偷取G，这样可以有效避免某个P负载过重，而其他P空闲的情况，充分利用了系统资源。
   • 非抢占式调度：默认情况下，Goroutine采用协作式调度，即当一个G执行了如I/O操作、系统调用或主动调用runtime.Gosched()等函数时，会让出CPU，让其他G有机会执行。这减少了调度的复杂性和开销。

多核CPU环境下的优势

1. 充分利用多核资源：通过设置runtime.GOMAXPROCS为CPU核心数，每个P可以绑定到一个CPU核心，不同的M在不同的P上并行执行不同的G，从而充分利用多核CPU的计算能力，提高程序的并行处理能力。
2. 高并发处理能力：由于Goroutine的轻量级特性和高效的调度算法，在多核CPU环境下可以轻松支持大量的并发任务，提高系统的整体吞吐量。

多核CPU环境下的挑战

1. 非抢占式调度的局限：在多核环境下，如果某个G长时间占用CPU且不主动让出（如执行密集型计算任务且未调用协作调度函数），会导致其他G无法及时执行，不能充分发挥多核的优势。Go 1.20引入了基于信号的抢占式调度来缓解这个问题，但仍存在一些场景下的局限性。
2. 资源竞争：虽然工作窃取算法能在一定程度上均衡负载，但在某些极端情况下，可能仍然会出现资源竞争问题，例如多个M同时尝试从同一个全局G队列中获取G，或者同时从其他P的本地队列中偷取G，可能会导致性能下降。
3. 数据一致性：在多核并行执行多个Goroutine时，由于它们可能同时访问和修改共享数据，需要额外的同步机制（如互斥锁、读写锁等）来保证数据的一致性，这增加了编程的复杂性。