面试题：Go 语言中 Goroutine 优先级调度的基础原理

Question

在 Go 语言中，简述一下默认情况下 Goroutine 的调度机制，为什么说它没有传统意义上的优先级调度？如果想要实现简单的优先级调度概念，你会从哪些方面去考虑并说明原因。

Answer 1

Goroutine 默认调度机制

1. M:N 调度模型：Go 语言采用 M:N 调度模型，即多个 Goroutine 映射到多个操作系统线程上。Goroutine 是用户态线程，由 Go 运行时（runtime）进行调度管理，而操作系统线程（M）由操作系统内核调度。
2. 调度器组件：Go 调度器主要由三个组件构成：G（Goroutine）、M（操作系统线程）、P（处理器）。
   • P：处理器，它包含一个本地的 Goroutine 队列，并且持有运行时的一些上下文信息，如内存分配状态等。P 的数量在程序启动时通过 runtime.GOMAXPROCS 设置，默认等于 CPU 的核心数。
   • M：操作系统线程，每个 M 会绑定一个 P 来运行 Goroutine。M 从 P 的本地队列或者全局队列中获取 Goroutine 来执行。
   • G：Goroutine，包含了需要执行的函数以及函数的参数等信息。
3. 调度流程：
   • 当一个 Goroutine 创建时，它会被放入 P 的本地队列。如果 P 的本地队列已满，会被放入全局队列。
   • M 会优先从绑定的 P 的本地队列中获取 Goroutine 执行。如果本地队列为空，M 会尝试从全局队列中获取一批 Goroutine 到本地队列，或者从其他 P 的本地队列中偷取一半的 Goroutine 到自己绑定的 P 的本地队列。

为何没有传统意义上的优先级调度

1. 设计目标：Go 语言设计的初衷是为了实现高效的并发编程，强调的是公平调度，让所有的 Goroutine 都有机会执行，避免某个 Goroutine 长时间占用资源而导致其他 Goroutine 饿死。
2. 调度策略：默认调度器采用的是协作式调度，即 Goroutine 在执行过程中会主动让出 CPU 资源（例如通过系统调用、channel 操作、runtime.Gosched() 等），这种调度方式没有为不同的 Goroutine 分配优先级，而是平等对待所有 Goroutine。

实现简单优先级调度的考虑方面及原因

1. 修改调度器：
   • 原因：最直接的方式就是对 Go 语言的调度器进行修改。在调度器中引入优先级队列，根据 Goroutine 的优先级将其放入不同的队列中。M 在获取 Goroutine 时，优先从高优先级队列中获取。这样可以实现根据优先级来调度 Goroutine。但这种方式需要深入理解 Go 调度器的底层实现，修改难度较大，并且可能会破坏 Go 调度器原有的一些特性和稳定性。
2. 使用工作池：
   • 原因：可以创建多个工作池，每个工作池对应不同的优先级。高优先级的任务放入高优先级工作池，低优先级的任务放入低优先级工作池。通过控制工作池中的资源（如 M 的数量或者调度频率）来实现优先级调度。例如，给高优先级工作池分配更多的 M 或者更高的调度频率，使得高优先级工作池中的任务能更快速地被执行。这种方式相对简单，不直接修改调度器，对 Go 原有调度机制的侵入性较小。
3. 利用 channel 缓冲：
   • 原因：可以利用 channel 的缓冲机制来模拟优先级。高优先级的 Goroutine 向缓冲较小的 channel 发送数据，低优先级的 Goroutine 向缓冲较大的 channel 发送数据。由于 channel 满时发送操作会阻塞，缓冲小的 channel 更容易满，这样高优先级的 Goroutine 就更容易被阻塞从而让出 CPU 资源给其他高优先级的 Goroutine 执行，实现一种简单的优先级调度概念。这种方式实现起来较为简单，利用了 Go 语言本身的 channel 特性，不会对调度器底层造成影响。