面试题：深入分析Go语言的goroutine调度器工作原理

Question

详细描述Go语言中goroutine调度器（GPM模型）的工作原理，包括G、P、M各自的职责，调度的具体流程，以及在多核CPU环境下如何实现高效并发调度。

Answer 1

G、P、M各自职责

1. G（Goroutine）：
   • 代表一个轻量级的执行单元，也就是Go语言中的协程。它包含了运行的函数以及相关的栈空间等执行状态信息。每个Goroutine都可以看作是一个独立的逻辑线程，但是其创建和销毁的开销远远小于操作系统线程。
2. P（Processor）：
   • 处理器，它管理着一个本地的Goroutine队列。P的主要职责是提供一个执行环境，用于执行Goroutine。它维护了运行Goroutine所需的资源，如栈空间等。同时，P与操作系统的线程（M）进行绑定，决定了哪些Goroutine可以在哪个M上运行。每个P有一个本地的G队列，新创建的G会优先放入本地队列，如果本地队列满了则放入全局队列。
3. M（Machine）：
   • 对应操作系统线程，它负责执行Goroutine。M从P的本地G队列或者全局G队列中获取Goroutine并执行。M需要与P绑定才能运行Goroutine，当M执行一个系统调用时，它会与P解绑，P可以被其他空闲的M复用，而该M会等待系统调用完成后重新获取一个P来继续执行Goroutine。

调度具体流程

1. 创建Goroutine：
   • 当使用go关键字创建一个新的Goroutine时，它会被优先放入创建它的P的本地G队列中。如果本地队列已满，就会被放入全局G队列。
2. M获取Goroutine：
   • 每个M会尝试从与之绑定的P的本地G队列中获取Goroutine来执行。如果本地队列为空，M会尝试从全局G队列中获取一批（通常为1/64的全局G数量）Goroutine并放入本地队列。如果全局队列也为空，M会尝试从其他P的本地队列中窃取一半的Goroutine（工作窃取算法）。
3. 执行Goroutine：
   • M从P获取到Goroutine后，开始执行其包含的函数。在执行过程中，如果Goroutine执行一个系统调用（如I/O操作），M会与P解绑，此时P可以被其他空闲的M复用。而该M会等待系统调用完成，完成后重新获取一个P继续执行Goroutine。
4. Goroutine结束：
   • 当Goroutine执行完其函数逻辑，它会从执行的M上退出，M会继续从P的本地队列中获取新的Goroutine执行，如果本地队列为空则重复上述获取Goroutine的流程。

多核CPU环境下高效并发调度

1. 多P并行：
   • 在多核CPU环境下，可以通过设置多个P来充分利用多核资源。Go运行时会根据CPU核心数自动设置合适数量的P（默认为CPU核心数）。每个P可以绑定到不同的M上，这样不同的M就可以同时执行不同P中的Goroutine，实现真正的并行执行。
2. 负载均衡：
   • 工作窃取算法在多核环境下发挥重要作用。当某个P的本地G队列繁忙，而其他P的本地G队列空闲时，繁忙的P对应的M可以从空闲P的本地队列中窃取Goroutine，从而实现负载均衡，提高整体的并发效率。
3. 减少锁争用：
   • GPM模型通过将Goroutine的管理分散到多个P上，减少了全局资源的锁争用。每个P管理自己的本地G队列，只有在操作全局G队列等共享资源时才需要加锁，这样在多核环境下可以有效减少锁争用带来的性能损耗，提升并发调度的效率。