面试题：Go语言Goroutine调度器中的G - M - P模型深入分析

Question

详细描述Go语言Goroutine调度器的G - M - P模型，包括G、M、P各自的含义与职责，以及它们之间是如何协同工作的。在多核CPU环境下，这个模型是怎样提高调度效率的？

Answer 1

G - M - P模型概述

1. G（Goroutine）
   • 含义：代表一个协程，是Go语言中并发执行的最小单位。每个G都有自己的栈空间、程序计数器以及局部变量等。
   • 职责：封装了需要并发执行的任务逻辑，例如一段函数代码。
2. M（Machine）
   • 含义：代表操作系统线程，它是真正在操作系统层面执行任务的实体。
   • 职责：负责执行Goroutine，M会从P的本地运行队列或者全局运行队列中获取G来执行，并负责与操作系统的交互，如系统调用等。
3. P（Processor）
   • 含义：处理器，它是G和M之间的中间层，用于管理一组G并为M提供执行上下文。P持有一个本地G的运行队列。
   • 职责：P负责调度G到M上执行，它决定了哪个G能在哪个M上运行。同时，P还管理着一个本地的G队列，当有新的G创建时，优先放入本地队列，当本地队列满了再放入全局队列。

G - M - P协同工作机制

1. G的创建与调度
   • 当创建一个新的G时，它会首先被放入创建它的P的本地运行队列中。如果P的本地运行队列已满，G会被放入全局运行队列。
   • M会从P的本地运行队列获取G来执行，如果本地队列为空，M会尝试从全局运行队列或者其他P的本地运行队列（通过窃取机制）获取G。
2. M与P的关联
   • 每个M需要关联一个P才能执行G。在程序启动时，会创建一定数量的P和M，并且将P和M进行绑定。
   • 当M执行系统调用等阻塞操作时，P会与M分离，此时P可以被其他空闲的M获取，继续执行本地队列中的G。
3. 全局运行队列与本地运行队列交互
   • 全局运行队列存储那些无法放入P本地队列的G。M在本地队列空时，会尝试从全局队列获取G，每次获取一定数量（例如1个）的G到本地队列再执行。同时，当P的本地队列负载过高时，也会将部分G迁移到全局队列。

在多核CPU环境下提高调度效率的方式

1. 多核并行
   • 每个P可以绑定到不同的CPU核心上，使得多个M可以同时在不同核心上执行不同的G，实现真正的并行计算。例如，一个4核CPU的机器，若有4个P，每个P分别绑定到一个核心，4个M可以同时执行4个不同的G，充分利用多核资源。
2. 任务窃取
   • 在多核环境下，不同P的本地运行队列负载可能不均衡。当一个M执行完本地队列的G后，会从其他P的本地队列窃取一半的G到自己的本地队列，这种机制使得负载高的P能够将任务分担给负载低的P，提高整体的调度效率。
3. 减少锁争用
   • 由于每个P有自己的本地运行队列，G的调度和执行在本地队列内进行，减少了对全局资源的竞争，特别是减少了对全局运行队列的锁争用。相比单队列调度模型，在多核环境下，G - M - P模型通过这种方式提高了调度的并发性能。