面试题：Go函数并发调用的底层调度实现

Question

深入讲解Go函数在并发调用场景下，其底层的调度器（Goroutine调度）是如何工作的，包括M:N模型的具体实现、调度队列的管理以及函数执行过程中上下文切换的细节。

Answer 1

1. Go函数在并发调用场景下调度器概述

Go语言的调度器采用了M:N模型，即多个Goroutine（用户态线程）映射到多个操作系统线程（内核态线程）上。这使得Go能够高效地管理并发任务，在一个操作系统线程上并发执行多个Goroutine，避免了创建大量操作系统线程带来的资源开销。

2. M:N模型的具体实现

• Goroutine（G）：是Go语言的轻量级线程，由Go运行时（runtime）管理。每个Goroutine都有自己的栈空间和执行上下文，其创建和销毁的开销远小于操作系统线程。
• 操作系统线程（M）：是内核态线程，由操作系统管理。M负责执行Goroutine。Go运行时会在需要时创建、销毁和复用M。
• 调度器（P）：调度器是Go运行时的核心组件，它负责管理Goroutine的调度队列，并将Goroutine分配给M执行。P的数量通常与CPU核心数相关，默认情况下P的数量等于CPU核心数，通过runtime.GOMAXPROCS函数可以调整。

3. 调度队列的管理

• 全局队列：Go调度器维护了一个全局的Goroutine队列，当新创建的Goroutine数量过多，超过了每个P本地队列的容量时，多余的Goroutine会被放入全局队列。全局队列由一个互斥锁保护，以确保并发安全。
• 本地队列：每个P都有一个本地的Goroutine队列，M优先从P的本地队列中获取Goroutine来执行。这样可以减少锁的竞争，提高调度效率。当本地队列空了时，M会尝试从全局队列中获取一批Goroutine，或者从其他P的本地队列中偷取一半的Goroutine（工作窃取算法）。

4. 函数执行过程中上下文切换的细节

• 主动切换：当Goroutine执行到runtime.Gosched()函数时，会主动放弃CPU使用权，将自己放入当前P的本地队列尾部，然后调度器会从队列中选择另一个Goroutine执行。另外，当Goroutine进行系统调用（如I/O操作）时，会将自己从当前M上分离，M继续执行其他Goroutine，待系统调用完成后，该Goroutine会被重新放入队列等待调度。
• 被动切换：Go调度器使用协作式调度，没有时间片的概念。但是当一个Goroutine执行时间过长时，调度器会通过插入抢占点的方式进行被动调度。在Go 1.14及以后版本，引入了基于信号的抢占机制，当一个Goroutine运行超过一定时间（默认为10ms），操作系统会向对应的M发送一个信号，M在接收到信号后会在合适的时机（如函数调用、系统调用等）检查抢占标志，然后将当前Goroutine挂起，调度其他Goroutine执行。上下文切换时，调度器需要保存当前Goroutine的寄存器状态（如程序计数器、栈指针等），并恢复下一个要执行的Goroutine的寄存器状态，这样就能保证Goroutine的执行连续性。