面试题：Goroutine在高并发场景下对线程饥饿问题的优化策略

Question

在高并发场景中，传统线程可能会出现饥饿问题。请深入分析Go语言的Goroutine针对线程饥饿问题采取了哪些优化策略，以及在实际应用中如何避免因不当使用Goroutine而引发类似饥饿的现象。

Answer 1

Goroutine针对线程饥饿问题的优化策略

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（M）上。与传统的1:1线程模型（一个用户线程对应一个内核线程）不同，在1:1模型中，如果一个线程长时间占用CPU，其他线程可能会饥饿。而Go的M:N模型允许在一个内核线程（M）上调度多个Goroutine（N）。当一个Goroutine阻塞（例如进行I/O操作）时，运行时系统可以将其他Goroutine调度到这个内核线程上执行，避免了因一个Goroutine阻塞而导致整个线程资源浪费，减少了其他Goroutine饥饿的可能性。
2. 抢占式调度：
   • Go 1.14版本引入了协作式抢占调度机制，在Go 1.16版本中进一步优化为更高效的抢占式调度。在协作式调度中，Goroutine需要主动让出CPU资源（例如通过调用系统调用等）。而抢占式调度允许运行时系统在必要时强制暂停一个正在运行的Goroutine，为其他Goroutine提供执行机会。这样可以防止某个Goroutine长时间占用CPU，避免其他Goroutine饥饿。例如，当一个Goroutine运行超过一定时间片（默认约10ms），运行时系统可能会抢占它，调度其他等待的Goroutine。
3. 公平调度算法：
   • Go的调度器使用基于队列的公平调度算法。每个M（操作系统线程）都有一个本地Goroutine队列，同时还有一个全局Goroutine队列。当一个M空闲时，它首先从自己的本地队列中获取Goroutine执行。如果本地队列为空，它会从全局队列中获取Goroutine。此外，为了保证公平性，运行时系统会定期将本地队列中的Goroutine移到全局队列中，这样可以确保所有的Goroutine都有机会被调度执行，减少饥饿现象。

在实际应用中避免因不当使用Goroutine而引发类似饥饿现象的方法

1. 合理设置Goroutine数量：
   • 避免创建过多的Goroutine。过多的Goroutine会消耗大量系统资源，并且可能导致调度器频繁切换上下文，降低整体性能，同时增加某个Goroutine长时间得不到执行而饥饿的风险。例如，在处理批量任务时，可以根据系统资源（如CPU核心数、内存等）合理设置Goroutine的数量上限。可以使用runtime.GOMAXPROCS设置最大可同时执行的CPU数，然后根据这个数值和任务特性估算合适的Goroutine数量。
2. 避免长时间阻塞的Goroutine：
   • 确保Goroutine不会长时间占用CPU资源而不释放。对于计算密集型任务，可以将其拆分成多个小任务，定期让出CPU。例如，在进行大规模数值计算时，可以每计算一定数量的数据点，就调用runtime.Gosched()函数，主动让出CPU，让调度器有机会调度其他Goroutine。对于I/O密集型任务，要确保I/O操作是非阻塞的，这样当I/O操作等待时，Goroutine可以被挂起，调度器可以调度其他可运行的Goroutine。
3. 使用通道进行同步：
   • 正确使用通道（channel）进行Goroutine之间的通信和同步。如果通道使用不当，可能会导致死锁或某个Goroutine饥饿。例如，避免在没有缓冲的通道上进行无限制的发送或接收操作而不做超时处理。可以使用带缓冲的通道，并设置合理的缓冲区大小，同时在通道操作上使用select语句结合time.After进行超时处理，防止某个Goroutine因通道阻塞而长时间等待，进而引发饥饿。
4. 优先级调度（如果有需求）：
   • 如果应用场景中有明确的任务优先级需求，可以通过自定义调度器来实现。虽然Go的调度器本身是公平调度，但在一些特殊场景下，可能需要某些Goroutine优先执行。可以通过维护多个优先级队列，根据任务优先级将Goroutine放入不同队列，调度器优先从高优先级队列中获取Goroutine执行，但要注意避免低优先级队列中的Goroutine永远得不到执行，所以需要定期提升低优先级队列中Goroutine的优先级。