面试题：Go 1.14+版本中Goroutine调度器的改进及性能影响

Question

Go 1.14及后续版本对Goroutine调度器进行了一些改进，比如对网络轮询器的优化等。请详细说明这些改进内容，以及它们是如何提升整体系统性能的，并且分析在不同业务场景下这些改进的优势与局限性。

Answer 1

Go 1.14及后续版本Goroutine调度器改进内容

1. 网络轮询器优化：
   • 优化I/O多路复用：Go 1.14中，网络轮询器（netpoller）基于epoll/kqueue等底层多路复用机制进行了优化。在Linux上，epoll的使用更加高效，减少了不必要的系统调用开销。例如，在大量并发网络连接场景下，通过优化epoll的事件管理和回调机制，使得网络轮询器能更快速地处理I/O事件。
   • 减少锁争用：对网络轮询器内部的数据结构和操作进行了调整，减少了锁的使用和争用情况。以前在处理网络事件时，可能存在较多的全局锁操作，这在高并发情况下会成为性能瓶颈。改进后，采用更细粒度的锁或者无锁数据结构，提高了并发处理能力。
2. Goroutine调度优化：
   • 可抢占式调度：Go 1.14引入了更完善的协作式抢占调度机制。当一个Goroutine长时间运行（例如在一个无限循环中执行计算密集型任务），调度器可以在合适的时机强制抢占该Goroutine的执行权，将CPU资源分配给其他等待执行的Goroutine。这是通过在函数调用点插入特定的代码实现的，当满足一定条件时，调度器能够触发抢占。
   • 本地队列优化：每个M（Machine，代表一个操作系统线程）都有一个本地Goroutine队列。Go 1.14对本地队列的管理和操作进行了优化，使得Goroutine在本地队列的调度更加高效。例如，减少了本地队列操作的时间复杂度，提高了Goroutine从本地队列获取和执行的速度。

性能提升原理

1. 网络轮询器优化提升性能：
   • 降低延迟：优化的I/O多路复用机制能更及时地响应网络事件，减少了网络I/O的等待时间，对于网络密集型应用，如Web服务器，能更快地处理客户端请求，降低响应延迟。
   • 提高并发处理能力：减少锁争用使得网络轮询器在高并发网络连接场景下，多个Goroutine可以更高效地并发处理网络事件，提高了整体的吞吐量。
2. Goroutine调度优化提升性能：
   • 公平性和资源利用率：可抢占式调度确保了所有Goroutine都有机会执行，避免了某个Goroutine长时间占用CPU资源，提高了CPU的利用率，特别是在计算密集型和I/O密集型Goroutine混合的场景下，能更好地平衡资源分配。
   • 高效的本地调度：本地队列优化使得Goroutine在本地操作系统线程上的调度更加高效，减少了跨线程调度的开销，提高了整体的调度效率。

不同业务场景下的优势与局限性

1. 网络密集型场景：
   • 优势：
     • 网络轮询器的优化使得网络I/O操作更加高效，能够快速处理大量并发的网络连接，提高了Web服务器、RPC服务等网络应用的性能和吞吐量。
     • 可抢占式调度能保证在处理网络请求过程中，即使某个Goroutine出现长时间阻塞（如网络超时等待），其他Goroutine仍能正常执行，提高了系统的响应能力。
   • 局限性：
     • 对于极其简单的网络应用，网络轮询器的优化可能带来的性能提升不明显，因为本身网络请求数量少，优化后的优势无法充分体现。
2. 计算密集型场景：
   • 优势：
     • 可抢占式调度能有效避免某个计算密集型Goroutine长时间占用CPU，确保其他Goroutine有机会执行，提高了CPU资源的利用率，对于多个计算任务并发执行的场景非常有利。
     • 本地队列优化使得计算密集型Goroutine在本地线程上的调度更高效，减少了调度开销。
   • 局限性：
     • 协作式抢占调度依赖于函数调用点插入的抢占代码，对于一些纯汇编实现的计算密集型代码，可能无法实现抢占，导致调度不公平。
3. 混合场景（计算密集型和网络密集型混合）：
   • 优势：
     • 网络轮询器优化和可抢占式调度相结合，既能高效处理网络请求，又能合理分配CPU资源给计算任务，提高了整个系统的性能和稳定性。
     • 本地队列优化在这种复杂场景下同样能提高Goroutine在本地线程的调度效率。
   • 局限性：
     • 可能由于抢占调度和网络轮询的资源竞争，在极端高并发的混合场景下，系统性能可能出现波动，需要更精细的调优。