面试题：剖析Go中goroutine调度器对安全并发的影响

Question

深入剖析Go语言的goroutine调度器的工作原理，阐述它是如何在系统层面支持安全的并发执行的。同时，分析在极端高并发场景下，当前调度器可能存在的安全隐患，并提出改进的思路和方向。

Answer 1

Go语言goroutine调度器工作原理

1. M:N调度模型：Go语言采用M:N调度模型，即多个用户级线程（goroutine）映射到多个内核级线程（操作系统线程，M）上。每个M可运行一个goroutine，而一个goroutine可在不同的M上切换执行。
2. 调度器组件
   • G：代表goroutine，每个goroutine都有自己的栈、程序计数器和局部变量等。
   • M：代表操作系统线程，负责执行goroutine。
   • P：代表处理器，用于管理可运行的goroutine队列，每个P都有一个本地的goroutine队列。M需要获取到P才能执行goroutine。
3. 调度流程
   • 创建goroutine：通过go关键字创建新的goroutine，新的goroutine被放入到某个P的本地队列或全局队列中。
   • 调度执行：M从P的本地队列中获取goroutine执行，如果本地队列为空，则尝试从全局队列或其他P的本地队列中偷取goroutine。当一个goroutine执行系统调用等阻塞操作时，M会将该goroutine与自身分离，然后M去执行其他goroutine，当阻塞操作完成，该goroutine会被重新加入到某个P的队列中等待执行。

在系统层面支持安全并发执行的方式

1. 内存模型：Go语言定义了一套内存模型，保证了在正确使用同步原语（如sync.Mutex、sync.RWMutex、channel等）的情况下，对共享资源的并发访问是安全的。例如，通过channel进行通信可以避免竞态条件，因为数据在通道中传递时，会有隐式的同步操作。
2. 无锁数据结构：Go标准库提供了一些无锁的数据结构，如sync.Map，在高并发场景下无需使用锁就能保证数据的一致性，从而提高并发性能和安全性。
3. 抢占式调度：Go 1.20引入了协作式抢占调度机制。当一个goroutine执行时间过长时，调度器可以抢占该goroutine，将其暂停并调度其他goroutine执行，避免某个goroutine长时间占用资源，从而保证所有goroutine都有机会执行，提高并发执行的公平性和安全性。

极端高并发场景下可能存在的安全隐患

1. 全局队列锁争用：在极端高并发场景下，大量goroutine可能会竞争全局队列，导致全局队列锁的争用加剧，从而降低调度效率。
2. 缓存亲和性问题：M频繁地从不同的P中偷取goroutine，可能导致CPU缓存命中率降低，因为不同P上的goroutine可能使用不同的内存区域，频繁切换会使缓存中的数据失效，影响性能。
3. 系统资源耗尽：过多的goroutine可能导致系统资源（如内存、文件描述符等）耗尽。虽然Go语言的调度器在一定程度上对goroutine进行了高效管理，但当goroutine数量远超系统承载能力时，仍可能引发问题。

改进思路和方向

1. 优化全局队列：采用更细粒度的锁机制，如分段锁，对全局队列进行管理，减少锁争用。或者采用无锁数据结构来实现全局队列，进一步提高并发性能。
2. 提升缓存亲和性：调度器在进行goroutine调度时，尽量将同一个P上的goroutine调度到同一个M上执行，减少M在不同P之间的切换，提高CPU缓存命中率。例如，可以引入缓存亲和性感知的调度算法。
3. 资源限制与监控：实现对goroutine数量的动态限制，根据系统资源（如内存、CPU等）的使用情况，动态调整允许创建的goroutine数量。同时，引入监控机制，实时监测系统资源的使用情况，当资源接近耗尽时，采取相应的措施（如限制新的goroutine创建、清理不再使用的资源等）。