面试题：Go 协程调度机制中的抢占式调度实现原理

Question

Go 1.14 引入了更完善的抢占式调度，详细说明这种抢占式调度在 Go 协程调度机制中的实现原理，以及它解决了之前调度机制中的哪些问题，在实际项目应用中对性能优化体现在哪些方面。

Answer 1

实现原理

1. 协作式调度的不足：在Go 1.14之前，Go协程采用协作式调度。这意味着协程只有在主动出让CPU（例如进行系统调用、I/O操作、调用runtime.Gosched() 等）时，调度器才能调度其他协程执行。如果某个协程长时间占用CPU且不主动让出，会导致其他协程得不到执行机会。
2. 基于信号的抢占机制：Go 1.14引入的抢占式调度基于信号机制。具体来说，当一个协程运行时，调度器会在适当的时候（例如每个函数调用的入口和出口）插入一小段代码，这段代码会检查是否有抢占信号。如果收到抢占信号，当前协程会被挂起，调度器就可以调度其他协程执行。这种方式在不改变Go语言原有运行时模型的基础上，实现了对协程的抢占。
3. M:N调度模型中的应用：Go采用M:N调度模型（M个操作系统线程对应N个协程）。在这个模型下，抢占式调度使得每个M（操作系统线程）上运行的协程可以被强制暂停，从而让调度器有机会将其他可运行的协程调度到该M上执行，提高了系统资源的利用率。

解决的问题

1. 防止协程饥饿：解决了因某个协程长时间占用CPU而导致其他协程无法执行的饥饿问题。在之前的协作式调度下，如果一个CPU密集型的协程没有主动让出CPU，其他协程可能会长时间等待。抢占式调度确保每个协程都有机会执行，避免了这种情况的发生。
2. 提高系统响应性：对于需要及时响应的应用场景，如网络服务器，当有新的请求到达时，抢占式调度可以保证调度器能够及时调度处理请求的协程，提高系统的整体响应速度。而在协作式调度下，可能会因为当前执行的协程未主动让出CPU，导致新请求得不到及时处理。

实际项目应用中的性能优化体现

1. 提升并发性能：在多协程并发执行的场景中，抢占式调度使得CPU资源能够更公平地分配给各个协程，避免了单个协程长时间独占CPU，从而提高了整个系统的并发处理能力。例如在一个包含大量CPU密集型和I/O密集型协程混合运行的服务器应用中，抢占式调度可以让I/O密集型协程在CPU密集型协程执行期间也有机会被调度，提高了系统整体的吞吐量。
2. 降低延迟：对于有实时性要求的任务，如处理实时数据流的应用，抢占式调度能保证任务及时得到执行，降低任务处理的延迟。例如在金融交易系统中，实时交易数据的处理需要快速响应，抢占式调度可以确保交易处理协程能够及时被调度执行，减少交易处理的延迟。
3. 优化资源利用率：通过更合理地调度协程，避免了CPU资源的浪费。即使在有大量协程同时运行的情况下，系统也能更有效地利用CPU和内存等资源，提高了服务器的整体性能和资源利用率。