面试题：Go语言中Goroutine优先级调度原理相关问题

为什么Go采用无传统优先级调度设计

简化设计：Go语言的设计理念强调简单性和高效性。传统的优先级调度需要复杂的调度算法和数据结构来管理不同优先级的任务队列，这增加了调度器的复杂性。Go的调度器设计相对简单，基于M:N调度模型（多个Goroutine映射到多个操作系统线程），这种简单设计使得调度器更容易实现、理解和维护。
公平性：无明确优先级调度确保了所有Goroutine在调度机会上相对公平。每个Goroutine都有机会被调度执行，避免了高优先级任务长时间占用资源导致低优先级任务饿死的情况，有利于系统整体的稳定性和资源利用效率。
性能优化：复杂的优先级调度可能带来额外的性能开销，如频繁的任务优先级判断、队列操作等。Go的无优先级调度方式减少了这些额外开销，提高了调度的效率，尤其在高并发场景下，能更好地利用系统资源。

实际项目中实现类似优先级调度的方式

任务队列分层：
- 创建多个不同优先级的任务队列，例如高、中、低优先级队列。
- 在调度时，优先从高优先级队列中取出任务执行，当高优先级队列为空时，再从中优先级队列取任务，以此类推。可以使用Go标准库中的container/list或者第三方队列库实现这些队列。
- 示例代码：

package main

import (
    "container/list"
    "fmt"
)

type Task struct {
    priority int
    work     func()
}

func scheduler() {
    highPriorityQueue := list.New()
    mediumPriorityQueue := list.New()
    lowPriorityQueue := list.New()

    // 模拟添加任务
    highPriorityQueue.PushBack(Task{priority: 1, work: func() { fmt.Println("High priority task") }})
    mediumPriorityQueue.PushBack(Task{priority: 2, work: func() { fmt.Println("Medium priority task") }})
    lowPriorityQueue.PushBack(Task{priority: 3, work: func() { fmt.Println("Low priority task") }})

    for {
        if highPriorityQueue.Len() > 0 {
            task := highPriorityQueue.Front().Value.(Task)
            highPriorityQueue.Remove(highPriorityQueue.Front())
            task.work()
        } else if mediumPriorityQueue.Len() > 0 {
            task := mediumPriorityQueue.Front().Value.(Task)
            mediumPriorityQueue.Remove(mediumPriorityQueue.Front())
            task.work()
        } else if lowPriorityQueue.Len() > 0 {
            task := lowPriorityQueue.Front().Value.(Task)
            lowPriorityQueue.Remove(lowPriorityQueue.Front())
            task.work()
        } else {
            break
        }
    }
}

使用带权重的调度：
- 为每个Goroutine分配一个权重值，权重越高表示优先级越高。
- 在调度时，根据权重比例来决定每个Goroutine被调度的概率。例如，可以通过一个权重总和和随机数生成器来实现。每次调度时，生成一个在0到权重总和之间的随机数，然后根据每个Goroutine的权重来判断应该调度哪个。
- 示例代码：

package main

import (
    "fmt"
    "math/rand"
    "time"
)

type WeightedTask struct {
    weight int
    work   func()
}

func weightedScheduler() {
    tasks := []WeightedTask{
        {weight: 3, work: func() { fmt.Println("High priority task") }},
        {weight: 2, work: func() { fmt.Println("Medium priority task") }},
        {weight: 1, work: func() { fmt.Println("Low priority task") }},
    }

    var totalWeight int
    for _, task := range tasks {
        totalWeight += task.weight
    }

    rand.Seed(time.Now().UnixNano())
    for i := 0; i < 10; i++ {
        r := rand.Intn(totalWeight)
        sum := 0
        for _, task := range tasks {
            sum += task.weight
            if r < sum {
                task.work()
                break
            }
        }
    }
}

基于信号量的调度：
- 使用信号量（sync.Semaphore 或 golang.org/x/sync/semaphore）来控制不同优先级任务的并发执行数量。高优先级任务可以获取更多的信号量，从而在同一时间有更多的高优先级任务执行。
- 例如，为高优先级任务分配10个信号量，中优先级任务分配5个信号量，低优先级任务分配2个信号量。每个任务在开始执行前获取信号量，执行完毕后释放信号量。
- 示例代码：

package main

import (
    "context"
    "fmt"
    "golang.org/x/sync/semaphore"
    "time"
)

func semaphoreScheduler() {
    highPrioritySem := semaphore.NewWeighted(10)
    mediumPrioritySem := semaphore.NewWeighted(5)
    lowPrioritySem := semaphore.NewWeighted(2)

    // 模拟高优先级任务
    go func() {
        for {
            if err := highPrioritySem.Acquire(context.Background(), 1); err != nil {
                fmt.Println("Failed to acquire high priority semaphore:", err)
                return
            }
            defer highPrioritySem.Release(1)
            fmt.Println("High priority task running")
            time.Sleep(time.Second)
        }
    }()

    // 模拟中优先级任务
    go func() {
        for {
            if err := mediumPrioritySem.Acquire(context.Background(), 1); err != nil {
                fmt.Println("Failed to acquire medium priority semaphore:", err)
                return
            }
            defer mediumPrioritySem.Release(1)
            fmt.Println("Medium priority task running")
            time.Sleep(time.Second)
        }
    }()

    // 模拟低优先级任务
    go func() {
        for {
            if err := lowPrioritySem.Acquire(context.Background(), 1); err != nil {
                fmt.Println("Failed to acquire low priority semaphore:", err)
                return
            }
            defer lowPrioritySem.Release(1)
            fmt.Println("Low priority task running")
            time.Sleep(time.Second)
        }
    }()

    select {}
}

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