面试题：Go调度器与操作系统线程调度的深度对比及优化考量

Question

对比Go调度器与操作系统原生线程调度机制，分析Go调度器在哪些方面进行了优化以适应高并发场景。如果让你进一步优化Go调度器，你会从哪些角度出发，结合操作系统相关知识阐述你的优化思路。

Answer 1

Go调度器与操作系统原生线程调度机制对比及优化点

1. 轻量级线程（Goroutine）：
   • 操作系统原生线程：操作系统线程一般对应内核线程（KLT），创建、销毁及切换开销较大，占用资源多，每个线程栈一般为几MB。
   • Go调度器：Go使用Goroutine，它是用户态的轻量级线程，创建和销毁开销小，初始栈一般为2KB，可按需增长和收缩，适合高并发场景下大量线程的创建与管理。
2. M:N调度模型：
   • 操作系统原生线程：通常是1:1调度模型，即一个用户线程映射到一个内核线程。当一个线程阻塞，对应的内核线程也会阻塞，浪费内核资源。
   • Go调度器：采用M:N调度模型，多个Goroutine映射到多个操作系统线程（M:N）。当某个Goroutine阻塞时，Go调度器可以将其他Goroutine调度到其他M（操作系统线程）上执行，提高了系统资源利用率，增强了并发处理能力。
3. 调度策略：
   • 操作系统原生线程：调度策略主要基于优先级等系统层面通用策略，可能不适用于特定应用场景的高并发需求。
   • Go调度器：采用协作式调度（co - operative scheduling），Goroutine在执行过程中主动出让CPU，比如通过调用系统调用、channel操作等，避免了抢占式调度的上下文切换开销，在高并发下能更高效地调度。
4. 本地队列：
   • 操作系统原生线程：一般没有类似本地队列的概念，调度队列通常是系统全局的。
   • Go调度器：每个M（操作系统线程）都有一个本地Goroutine队列，减少了全局锁竞争，提高了调度效率。同时还有一个全局Goroutine队列作为补充，进一步优化了调度。

进一步优化Go调度器的思路

1. 改进调度算法：
   • 借鉴公平调度算法：结合操作系统中的公平调度思想，如公平排队调度（FQ）等算法，根据Goroutine的任务类型、优先级以及已占用CPU时间等因素，更公平地分配CPU资源，防止某些Goroutine长时间占用CPU，影响其他Goroutine的执行。
   • 动态优先级调整：根据Goroutine的运行状态（如等待I/O时间、计算密集程度等）动态调整其优先级，使调度器能更合理地分配资源。例如，对于长时间等待I/O后就绪的Goroutine，适当提高其优先级，使其能尽快得到执行。
2. 资源管理优化：
   • 内存管理优化：进一步优化Goroutine栈的管理机制。借鉴操作系统内存管理中的分页思想，更细粒度地管理Goroutine栈内存，减少内存碎片，提高内存利用率。例如，当Goroutine栈收缩时，更高效地回收和复用内存页。
   • I/O资源调度：在操作系统层面，I/O调度算法有电梯调度（SCAN）、最短寻道时间优先（SSTF）等。Go调度器可以结合这些算法，优化Goroutine对I/O资源的访问，减少I/O等待时间，提高整体并发性能。比如，将相关的I/O操作的Goroutine分组调度，以提高磁盘等I/O设备的访问效率。
3. 减少锁争用：
   • 无锁数据结构应用：在调度器内部，更多地使用无锁数据结构，如无锁队列、无锁哈希表等。操作系统中有许多关于无锁算法的研究成果，Go调度器可以借鉴这些成果，减少锁争用带来的性能开销，进一步提高调度效率。
   • 分区锁优化：对于一些必须使用锁的场景，采用分区锁的方式。例如，将全局Goroutine队列按一定规则分区，每个分区使用独立的锁，这样不同分区的操作可以并行进行，减少锁争用。