面试题：Go中Goroutine与线程调度机制的深度解析

Question

详细描述Go语言运行时（runtime）中Goroutine的调度器原理，对比传统操作系统线程的调度机制，分析Go调度器如何实现高效的并发管理，在高并发场景下这种调度机制会面临哪些挑战以及Go语言是如何应对的。

Answer 1

Goroutine调度器原理

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）映射到多个操作系统线程（M）上。
2. G - M - P模型
   • G（Goroutine）：代表一个轻量级的用户级线程，包含了执行的函数、栈以及一些状态信息。
   • M（Machine）：对应操作系统线程，负责执行Goroutine。每个M都有一个可运行Goroutine的本地队列。
   • P（Processor）：用于管理可运行的Goroutine队列，并为M提供执行环境。P的数量一般等于CPU核数，它持有一个全局Goroutine队列。
3. 调度流程
   • 创建Goroutine：当使用go关键字创建一个新的Goroutine时，它会被放入到P的本地队列或全局队列中。
   • M获取Goroutine：M首先尝试从自己的本地队列获取Goroutine，如果本地队列为空，则尝试从P的本地队列窃取一半的Goroutine。若P的本地队列也为空，则从全局队列获取。
   • 执行Goroutine：M从某个队列获取到Goroutine后，开始执行。当Goroutine执行系统调用（如I/O操作）时，M会将该Goroutine与自身分离，M去执行其他Goroutine，当系统调用完成，该Goroutine会被重新放入队列等待执行。

与传统操作系统线程调度机制对比

1. 线程开销
   • 传统线程：每个线程都需要占用较大的栈空间（通常几MB），创建和销毁的开销较大。
   • Goroutine：栈空间初始时非常小（一般2KB），且可以按需动态增长和收缩，创建和销毁的开销极小。
2. 调度方式
   • 传统线程：由操作系统内核调度，上下文切换开销大，因为涉及到用户态到内核态的切换。
   • Goroutine：由Go运行时调度器在用户态进行调度，上下文切换开销小，仅需保存和恢复少量寄存器的值。
3. 资源占用
   • 传统线程：线程数量受限于系统资源，过多线程会导致系统资源耗尽。
   • Goroutine：由于其轻量级特性，可以创建大量Goroutine，轻松实现高并发。

Go调度器实现高效并发管理的方式

1. 轻量级线程：Goroutine的轻量级特性使得可以创建大量并发任务，而不会消耗过多系统资源。
2. 用户态调度：在用户态进行调度，减少了上下文切换开销，提高了调度效率。
3. 工作窃取算法：M从P的本地队列窃取Goroutine，平衡了各个M之间的负载，充分利用CPU资源。
4. 无锁数据结构：在调度器中使用了一些无锁数据结构，减少了锁竞争，提高并发性能。

高并发场景下的挑战及应对方法

1. 锁竞争
   • 挑战：高并发下，多个Goroutine同时访问共享资源时，容易产生锁竞争，降低性能。
   • 应对：提倡使用通信来共享内存（如使用channel），减少对共享资源的直接访问；同时优化锁的使用，尽量缩短锁的持有时间。
2. 栈溢出
   • 挑战：虽然Goroutine栈可动态增长，但在极端情况下（如无限递归），仍可能导致栈溢出。
   • 应对：Go运行时检测到栈溢出时，会自动分配新的栈空间，继续执行Goroutine。
3. 调度延迟
   • 挑战：大量Goroutine同时处于可运行状态时，调度器可能会出现调度延迟。
   • 应对：通过工作窃取算法和合理调整P的数量，尽量减少调度延迟，确保每个Goroutine都能及时得到执行机会。