面试题：Go 协程调度器的 GMP 模型详细解析

Question

深入介绍 Go 协程调度器的 GMP 模型，说明 G、M、P 各自代表什么，它们之间是如何相互协作来实现高效的协程调度的，并且举例说明在什么场景下这种协作机制会发挥最大作用。

Answer 1

GMP 模型简介

在 Go 协程调度器的 GMP 模型中：

• G（Goroutine）：代表协程，它是对用户级线程的抽象。每个 Goroutine 都有自己的栈、程序计数器和局部变量等运行状态。Go 语言通过 go 关键字来创建一个新的 G。例如：

go func() {
    // 这里是协程执行的代码
    fmt.Println("这是一个新的 Goroutine")
}()

• M（Machine）：代表操作系统线程，它是与操作系统内核线程直接对应的实体。M 负责执行 Go 代码，它会从 P 的本地运行队列或者全局运行队列中获取 G 来执行。每个 M 都有一个关联的栈空间，用于执行 Go 函数。
• P（Processor）：代表处理器上下文，它包含了运行 Go 代码所需的资源，如本地运行队列（存放 G）。P 的数量决定了同一时刻可以并发执行的 G 的数量，默认情况下 P 的数量等于 CPU 的核心数。P 还负责调度 G 到 M 上执行。

协作机制

1. 创建与调度：当使用 go 关键字创建一个新的 G 时，它会被放入到某个 P 的本地运行队列中。如果本地运行队列已满，G 会被放入全局运行队列。
2. M 与 P 的关联：M 需要获取一个 P 才能执行 G。M 会从空闲的 P 列表中获取一个 P，如果没有空闲的 P，M 可能会进入休眠状态。
3. 执行 G：M 从 P 的本地运行队列中取出一个 G 来执行。如果本地运行队列空了，M 会尝试从全局运行队列或者其他 P 的本地运行队列中偷取 G 来执行。
4. G 的阻塞与恢复：当 G 执行系统调用等阻塞操作时，M 会将 G 与 P 分离，此时 M 可以继续执行其他 G。当 G 阻塞结束，它会被重新放回某个 P 的运行队列等待再次执行。

应用场景

1. 高并发 I/O 操作：例如在一个网络爬虫程序中，需要同时发起大量的 HTTP 请求。每个请求可以作为一个 G 来处理。由于 I/O 操作通常会有较长的等待时间，通过 GMP 模型，当某个 G 因为 I/O 阻塞时，M 可以切换去执行其他 G，从而充分利用 CPU 资源，提高程序的整体效率。
2. 并行计算：在科学计算领域，当需要对大量数据进行并行处理时，将每个数据块的处理任务作为一个 G。P 的数量与 CPU 核心数匹配，使得每个 CPU 核心都能高效地执行 G，实现并行计算，加速计算过程。