面试题：Go协程的调度器原理

Question

深入讲解Go语言协程调度器（Goroutine Scheduler）的工作原理，如M:N调度模型，G、M、P的含义及它们之间是如何协同工作来实现高效的协程调度的。

Answer 1

Go语言协程调度器工作原理

M:N调度模型

在传统的线程模型中，有1:1（一个用户线程映射到一个内核线程）和N:1（多个用户线程映射到一个内核线程）模型。Go语言采用的M:N调度模型，是指M个用户级线程（协程，即Goroutine）映射到N个内核线程。这种模型结合了1:1和N:1模型的优点，既能利用多核CPU，又能在用户态高效地管理和调度大量的轻量级线程（协程）。

G、M、P的含义

1. G（Goroutine）：代表Go语言中的协程，是用户级的轻量级线程。每个G都有自己的栈空间、程序计数器、局部变量等运行状态。它是Go语言并发编程的基本执行单元，创建和销毁的开销极小，可以轻松创建成千上万的Goroutine。
2. M（Machine）：代表操作系统的内核线程，一个M对应一个内核线程。M负责执行G，它从P的本地运行队列或者全局运行队列中获取G并执行。M在运行G的过程中，如果遇到系统调用等阻塞操作，会阻塞自身，直到阻塞操作完成。
3. P（Processor）：可以理解为逻辑处理器，它包含了运行G所需的资源，如本地G队列、调度器缓存等。P的数量决定了同一时刻可以并发执行的G的最大数量，默认情况下，P的数量等于CPU的核心数。P的主要作用是管理和调度G，为M提供可运行的G。

G、M、P协同工作过程

1. G的创建与分配：当创建一个新的Goroutine（G）时，它首先被放入到创建它的P的本地运行队列中。如果本地运行队列已满，G会被放入全局运行队列。
2. M获取G并执行：M会尝试从某个P的本地运行队列中获取一个G来执行。如果P的本地运行队列为空，M会尝试从全局运行队列中获取G，或者从其他P的本地运行队列中窃取一半的G（工作窃取算法）。一旦M获取到G，就开始执行G的代码。
3. G的调度切换：在G执行过程中，如果G发生阻塞（如进行系统调用、channel操作等），M会将G与自身分离，将G放入阻塞队列，然后M可以去执行其他的G（如果P的运行队列中有其他可运行的G），或者睡眠等待。当阻塞的G恢复可运行状态时，它会被重新放入到某个P的本地运行队列中。
4. P的作用：P负责管理和调度G，保证M总有可运行的G。P还会在M因为阻塞等原因无法执行G时，及时将其他可运行的G交给其他空闲的M执行，从而实现高效的并发调度。同时，P的存在使得Go语言的调度器可以在用户态进行高效的调度，减少了内核态与用户态之间的切换开销。

通过G、M、P之间的协同工作，Go语言的协程调度器实现了高效的M:N调度模型，能够在多核环境下充分利用CPU资源，同时支持大量轻量级协程的并发执行，为Go语言的高性能并发编程提供了有力的支持。