面试题：Go调度器如何实现Goroutine高效调度并与线程协作

Question

深入描述Go语言调度器（如M:N调度模型）是如何实现Goroutine的高效调度，以及它怎样与操作系统线程进行协作，以避免阻塞并充分利用多核CPU资源。

Answer 1

Go语言调度器与Goroutine高效调度

1. M:N调度模型基础：
   • Go语言采用M:N调度模型，即多个用户级线程（Goroutine）映射到多个操作系统线程（M）上。这里的Goroutine是轻量级的用户态线程，而M是操作系统原生线程。
   • 这种模型允许在一个M上并发执行多个Goroutine，同时也能将多个Goroutine分配到多个M上，从而充分利用多核CPU。
2. Goroutine的调度实现：
   • Goroutine队列：Go调度器维护了多个Goroutine队列，包括全局队列和每个M对应的本地队列。新创建的Goroutine通常会被放入全局队列，而正在运行的M会优先从自己的本地队列中获取Goroutine执行。如果本地队列为空，M会尝试从全局队列或者其他M的本地队列中窃取Goroutine（工作窃取算法），以保证所有M都能充分工作。
   • 调度器组件：Go调度器主要由三个组件组成：G（Goroutine）、M（操作系统线程）和P（Processor）。P是调度的上下文，它包含了运行Goroutine所需要的资源，如本地Goroutine队列等。每个M必须绑定一个P才能运行Goroutine。P的数量通常在程序启动时根据CPU核心数确定，默认值是runtime.GOMAXPROCS的值，这就使得Goroutine能被分配到不同的CPU核心上执行。
   • 协作式调度：Goroutine之间采用协作式调度，当一个Goroutine执行系统调用（如I/O操作）或者调用runtime.Gosched()等让出CPU的函数时，它会主动暂停执行，调度器会将其从运行状态切换到等待状态，并将M释放，以便M去执行其他可运行的Goroutine。当Goroutine等待的事件完成（如I/O操作结束），调度器会将其重新放入可运行队列，等待被调度执行。
3. 与操作系统线程协作避免阻塞：
   • 系统调用处理：当Goroutine执行系统调用时，Go调度器会将其与M分离，M进入阻塞状态等待系统调用完成。与此同时，调度器会将P与其他空闲的M绑定，继续执行其他Goroutine，从而避免整个系统因一个Goroutine的阻塞而停止运行。例如，当一个Goroutine执行网络I/O操作时，调度器会释放绑定的M，让其他Goroutine在该P上运行。当I/O操作完成后，对应的Goroutine会被重新调度到一个M上继续执行。
   • 抢占式调度：Go 1.14版本引入了基于信号的抢占式调度机制，用于处理长时间运行的Goroutine，防止其长时间占用M而导致其他Goroutine无法执行。当一个Goroutine运行一段时间后，调度器会发送一个信号给对应的M，强制该Goroutine暂停执行，然后调度器将该Goroutine放入可运行队列，让其他Goroutine有机会执行，进一步提升了调度的公平性和系统的响应性。
4. 多核CPU资源利用：
   • 多P并行：由于P的数量与CPU核心数相关，多个P可以并行运行在不同的CPU核心上，每个P上可以运行多个Goroutine。这就使得多个Goroutine可以真正并行执行在多核CPU上，充分利用多核资源。例如，一个具有4个CPU核心的系统，默认会创建4个P，每个P可以绑定一个M并执行Goroutine，从而实现多个Goroutine在不同核心上的并行执行。
   • 动态调整：Go调度器会根据系统负载动态调整Goroutine的调度策略，如在高负载情况下，通过工作窃取算法更频繁地在M之间平衡Goroutine的负载，确保多核CPU资源得到充分利用。同时，调度器也会根据系统资源的变化，如CPU核心数的动态调整（如在虚拟化环境中），自动调整P的数量，以优化Goroutine的调度和多核资源的利用。