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Go语言——goroutine并发模型
参考:
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Goroutine并发调度模型深度解析手撸一个协程池
Golang 的 goroutine 是如何实现的?
Golang - 调度剖析【第二部分】
OS线程初始栈为2MB。Go语言中,每个goroutine采用动态扩容方式,初始2KB,按需增长,最大1G。此外GC会收缩栈空间。
BTW,增长扩容都是有代价的,需要copy数据到新的stack,所以初始2KB可能有些性能问题。
更多关于stack的内容,可以参见大佬的文章。 聊一聊goroutine stack
用户线程的调度以及生命周期管理都是用户层面,Go语言自己实现的,不借助OS系统调用,减少系统资源消耗。
Go语言采用两级线程模型,即用户线程与内核线程KSE(kernel scheduling entity)是M:N的。最终goroutine还是会交给OS线程执行,但是需要一个中介,提供上下文。这就是G-M-P模型
Go调度器有两个不同的运行队列:
go1.10\src\runtime\runtime2.go
Go调度器根据事件进行上下文切换。
调度的目的就是防止M堵塞,空闲,系统进程切换。
详见 Golang - 调度剖析【第二部分】
Linux可以通过epoll实现网络调用,统称网络轮询器N(Net Poller)。
文件IO操作
上面都是防止M堵塞,任务窃取是防止M空闲
每个M都有一个特殊的G,g0。用于执行调度,gc,栈管理等任务,所以g0的栈称为调度栈。g0的栈不会自动增长,不会被gc,来自os线程的栈。
go1.10\src\runtime\proc.go
G没办法自己运行,必须通过M运行
M通过通过调度,执行G
从M挂载P的runq中找到G,执行G
【golang详解】go语言GMP(GPM)原理和调度
Goroutine调度是一个很复杂的机制,下面尝试用简单的语言描述一下Goroutine调度机制,想要对其有更深入的了解可以去研读一下源码。
首先介绍一下GMP什么意思:
G ----------- goroutine: 即Go协程,每个go关键字都会创建一个协程。
M ---------- thread内核级线程,所有的G都要放在M上才能运行。
P ----------- processor处理器,调度G到M上,其维护了一个队列,存储了所有需要它来调度的G。
Goroutine 调度器P和 OS 调度器是通过 M 结合起来的,每个 M 都代表了 1 个内核线程,OS 调度器负责把内核线程分配到 CPU 的核上执行
模型图:
避免频繁的创建、销毁线程,而是对线程的复用。
1)work stealing机制
当本线程无可运行的G时,尝试从其他线程绑定的P偷取G,而不是销毁线程。
2)hand off机制
当本线程M0因为G0进行系统调用阻塞时,线程释放绑定的P,把P转移给其他空闲的线程执行。进而某个空闲的M1获取P,继续执行P队列中剩下的G。而M0由于陷入系统调用而进被阻塞,M1接替M0的工作,只要P不空闲,就可以保证充分利用CPU。M1的来源有可能是M的缓存池,也可能是新建的。当G0系统调用结束后,根据M0是否能获取到P,将会将G0做不同的处理:
如果有空闲的P,则获取一个P,继续执行G0。
如果没有空闲的P,则将G0放入全局队列,等待被其他的P调度。然后M0将进入缓存池睡眠。
如下图
GOMAXPROCS设置P的数量,最多有GOMAXPROCS个线程分布在多个CPU上同时运行
在Go中一个goroutine最多占用CPU 10ms,防止其他goroutine被饿死。
具体可以去看另一篇文章
【Golang详解】go语言调度机制 抢占式调度
当创建一个新的G之后优先加入本地队列,如果本地队列满了,会将本地队列的G移动到全局队列里面,当M执行work stealing从其他P偷不到G时,它可以从全局G队列获取G。
协程经历过程
我们创建一个协程 go func()经历过程如下图:
说明:
这里有两个存储G的队列,一个是局部调度器P的本地队列、一个是全局G队列。新创建的G会先保存在P的本地队列中,如果P的本地队列已经满了就会保存在全局的队列中;处理器本地队列是一个使用数组构成的环形链表,它最多可以存储 256 个待执行任务。
G只能运行在M中,一个M必须持有一个P,M与P是1:1的关系。M会从P的本地队列弹出一个可执行状态的G来执行,如果P的本地队列为空,就会想其他的MP组合偷取一个可执行的G来执行;
一个M调度G执行的过程是一个循环机制;会一直从本地队列或全局队列中获取G
上面说到P的个数默认等于CPU核数,每个M必须持有一个P才可以执行G,一般情况下M的个数会略大于P的个数,这多出来的M将会在G产生系统调用时发挥作用。类似线程池,Go也提供一个M的池子,需要时从池子中获取,用完放回池子,不够用时就再创建一个。
work-stealing调度算法:当M执行完了当前P的本地队列队列里的所有G后,P也不会就这么在那躺尸啥都不干,它会先尝试从全局队列队列寻找G来执行,如果全局队列为空,它会随机挑选另外一个P,从它的队列里中拿走一半的G到自己的队列中执行。
如果一切正常,调度器会以上述的那种方式顺畅地运行,但这个世界没这么美好,总有意外发生,以下分析goroutine在两种例外情况下的行为。
Go runtime会在下面的goroutine被阻塞的情况下运行另外一个goroutine:
用户态阻塞/唤醒
当goroutine因为channel操作或者network I/O而阻塞时(实际上golang已经用netpoller实现了goroutine网络I/O阻塞不会导致M被阻塞,仅阻塞G,这里仅仅是举个栗子),对应的G会被放置到某个wait队列(如channel的waitq),该G的状态由_Gruning变为_Gwaitting,而M会跳过该G尝试获取并执行下一个G,如果此时没有可运行的G供M运行,那么M将解绑P,并进入sleep状态;当阻塞的G被另一端的G2唤醒时(比如channel的可读/写通知),G被标记为,尝试加入G2所在P的runnext(runnext是线程下一个需要执行的 Goroutine。), 然后再是P的本地队列和全局队列。
系统调用阻塞
当M执行某一个G时候如果发生了阻塞操作,M会阻塞,如果当前有一些G在执行,调度器会把这个线程M从P中摘除,然后再创建一个新的操作系统的线程(如果有空闲的线程可用就复用空闲线程)来服务于这个P。当M系统调用结束时候,这个G会尝试获取一个空闲的P执行,并放入到这个P的本地队列。如果获取不到P,那么这个线程M变成休眠状态, 加入到空闲线程中,然后这个G会被放入全局队列中。
队列轮转
可见每个P维护着一个包含G的队列,不考虑G进入系统调用或IO操作的情况下,P周期性的将G调度到M中执行,执行一小段时间,将上下文保存下来,然后将G放到队列尾部,然后从队列中重新取出一个G进行调度。
除了每个P维护的G队列以外,还有一个全局的队列,每个P会周期性地查看全局队列中是否有G待运行并将其调度到M中执行,全局队列中G的来源,主要有从系统调用中恢复的G。之所以P会周期性地查看全局队列,也是为了防止全局队列中的G被饿死。
除了每个P维护的G队列以外,还有一个全局的队列,每个P会周期性地查看全局队列中是否有G待运行并将其调度到M中执行,全局队列中G的来源,主要有从系统调用中恢复的G。之所以P会周期性地查看全局队列,也是为了防止全局队列中的G被饿死。
M0
M0是启动程序后的编号为0的主线程,这个M对应的实例会在全局变量rutime.m0中,不需要在heap上分配,M0负责执行初始化操作和启动第一个G,在之后M0就和其他的M一样了
G0
G0是每次启动一个M都会第一个创建的goroutine,G0仅用于负责调度G,G0不指向任何可执行的函数,每个M都会有一个自己的G0,在调度或系统调用时会使用G0的栈空间,全局变量的G0是M0的G0
一个G由于调度被中断,此后如何恢复?
中断的时候将寄存器里的栈信息,保存到自己的G对象里面。当再次轮到自己执行时,将自己保存的栈信息复制到寄存器里面,这样就接着上次之后运行了。
我这里只是根据自己的理解进行了简单的介绍,想要详细了解有关GMP的底层原理可以去看Go调度器 G-P-M 模型的设计者的文档或直接看源码
参考: ()
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为什么Go语言不支持重载?
上图是Golang官网FAQ的部分截图,看来关于Go不支持重载的这个问题困扰了很多从面向对象语言转到Go的开发者。官方在这里做出了解答。
在上面的回答中有这样一句话:
其意思是: 使用其他语言的经验告诉我们,使用具有相同名称但签名不同的多种方法有时会很有用,但在实践中也可能会造成混淆和脆弱。
接下来又说: 在Go的类型系统中,仅按名称进行匹配并要求类型一致是一个简化的主要决定。
最后一句话: 关于操作员重载,似乎比绝对要求更方便。 同样,没有它,事情会变得更简单。
整个的解答非常漂亮、简洁。我们看完之后就会理解,Go语言的设计者之所以没有在Go中实现方法的重载,并没有复杂的理由,核心原则就是: 让Go保持足够的简单。 这也能看出来Go语言的设计者有着极大的选择和克制。
其实,笔者认为重载在本质上并没有很大的实际意义。只是表现力和表现形式上有一定的差别。明确某个上下文中的函数调用的关键就是函数签名,支持重载的语言中一般是函数名加函数参数构成函数签名。而Go中可以认为函数名就是签名。逻辑上没有太大的区别,就是把工作做在了台前 还是幕后的区别。
当然如果非要较真的话,我们或许可以在Go中声明方法的时候将参数写成 interface{} 或者 ... 切片的方式。在传进来参数的时候做一步校验,判断参数的类型和个数,然后分别处理之。
仁者见仁智者见智,大家有什么不同的理解欢迎一起沟通。
Go语言之Context
golang在1.6.2的时候还没有自己的context,在1.7的版本中就把golang.org/x/net/context包被加入到了官方的库中。中文译作“上下文”,它主要包含了goroutine 的运行状态、环境等信息。
context 主要用来在 goroutine 之间传递上下文信息,包括:同步信号、超时时间、截止时间、请求相关值等。
该接口定义了四个需要实现的方法:
如果有个网络请求Request,然后这个请求又可以开启多个goroutine做一些事情,当这个网络请求出现异常和超时时,这个请求结束了,这时候就可以通过context来跟踪这些goroutine,并且通过Context来取消他们,然后系统才可回收所占用的资源。
为了更方便的创建Context,包里头定义了Background来作为所有Context的根,它是一个emptyCtx的实例。
Background返回一个非空的Context。它永远不会被取消。它通常用来初始化和测试使用,作为一个顶层的context,也就是说一般我们创建的context都是基于Background。
TODO返回一个非空的Context。当不清楚要使用哪个上下文的时候可以使用TODO。
他们两个本质上都是emptyCtx结构体类型,是一个不可取消,没有设置截止时间,没有携带任何值的Context。
有了如上的根Context,那么是如何衍生更多的子Context的呢?这就要靠context包为我们提供的With系列的函数了。
通过这些函数,就创建了一颗Context树,树的每个节点都可以有任意多个子节点,节点层级可以有任意多个。
WithCancel函数,最常用的派生 context 方法。该方法接受一个父 context。父 context 可以是一个 background context 或其他 context。
WithDeadline函数,该方法会创建一个带有 deadline 的 context。当 deadline 到期后,该 context 以及该 context 的可能子 context 会受到 cancel 通知。另外,如果 deadline 前调用 cancelFunc 则会提前发送取消通知。
WithTimeout和WithDeadline基本上一样,这个表示是超时自动取消,是多少时间后自动取消Context的意思。
WithValue函数和取消Context无关,它是为了生成一个绑定了一个键值对数据的Context,这个绑定的数据可以通过Context.Value方法访问到,一般我们想要通过上下文来传递数据时,可以通过这个方法,如我们需要tarce追踪系统调用栈的时候。
使用Context的程序应遵循以下规则,以使各个包之间的接口保持一致:
1.不要将 Context 塞到结构体里。直接将 Context 类型作为函数的第一参数,而且一般都命名为 ctx。
2.不要向函数传入一个 nil 的 context,如果你实在不知道传什么,标准库给你准备好了一个 context:todo。
3.不要把本应该作为函数参数的类型塞到 context 中,context 存储的应该是一些共同的数据。例如:登陆的 session、cookie 等。
4.同一个 context 可能会被传递到多个 goroutine,别担心,context 是并发安全的。
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