面试题：Go 语言自定义调度器与 Goroutine 优先级的结合实现

Question

假设你要为 Go 语言设计一个自定义调度器，且这个调度器需要支持 Goroutine 的优先级调度。请阐述你的设计思路，包括涉及的数据结构、调度算法以及如何与 Go 语言现有的运行时环境进行交互，同时分析这种设计可能带来的性能影响和潜在问题。

Answer 1

设计思路

1. 数据结构
   • 优先级队列：用于存储不同优先级的 Goroutine。可以使用堆结构来实现高效的插入和删除操作。例如，使用小顶堆来实现优先级队列，使得高优先级的 Goroutine 位于堆顶，能够快速被调度。
   • Goroutine 描述符：每个 Goroutine 对应一个描述符，包含 Goroutine 的唯一标识、优先级、当前状态（如运行、就绪、阻塞等）以及相关上下文信息。
2. 调度算法
   • 基于优先级的抢占式调度：调度器从优先级队列中取出优先级最高的 Goroutine 进行调度。在运行过程中，调度器会周期性地检查是否有更高优先级的 Goroutine 进入就绪状态，如果有，则暂停当前 Goroutine，将其放回优先级队列，然后调度更高优先级的 Goroutine。
3. 与 Go 语言现有运行时环境交互
   • 修改运行时调度器接口：Go 语言的运行时调度器（如 M:N 调度模型中的 M 和 P）需要进行适当修改，以支持自定义调度器。例如，在创建新的 Goroutine 时，将其插入到自定义调度器的优先级队列中，而不是默认的调度队列。
   • Hook 机制：利用 Go 语言的运行时 Hook 机制，在 Goroutine 状态变化（如阻塞、就绪）时，通知自定义调度器进行相应的处理。例如，当一个 Goroutine 阻塞时，从优先级队列中移除；当它再次就绪时，重新插入到优先级队列。

性能影响和潜在问题

1. 性能影响
   • 优点：通过优先级调度，可以优先处理重要的任务，提高系统的整体响应速度。例如，对于一些关键的业务逻辑或实时性要求高的任务，可以设置较高的优先级，使其能够快速得到执行。
   • 缺点：优先级队列的维护（插入、删除操作）会带来一定的时间开销。特别是在高并发场景下，频繁的插入和删除操作可能导致性能下降。此外，抢占式调度可能会增加上下文切换的次数，也会对性能产生一定影响。
2. 潜在问题
   • 饥饿问题：低优先级的 Goroutine 可能长时间得不到调度，从而导致饥饿。可以通过实现老化机制来解决，即随着时间的推移，逐渐提高低优先级 Goroutine 的优先级。
   • 调度复杂性增加：自定义调度器的引入增加了系统的复杂性，可能导致调试和维护难度加大。例如，在处理 Goroutine 状态变化和优先级调整时，可能会出现逻辑错误。
   • 兼容性问题：与 Go 语言现有标准库和第三方库的兼容性可能会受到影响。一些库可能依赖于默认的调度器行为，自定义调度器可能需要额外的适配工作。