go runtime scheduler

Goroutine的引入是为了方便高并发程序的编写。一个Goroutine在进行阻塞操作（比如系统调用）时，会把当前线程中的其他Goroutine移交到其他线程中继续执行，从而避免了整个程序的阻塞。

由于Golang引入了垃圾回收（gc），在执行gc时就要求Goroutine是停止的。通过自己实现调度器，就可以方便的实现该功能。通过多个Goroutine来实现并发程序，既有异步IO的优势，又具有多线程、多进程编写程序的便利性。

引入Goroutine，也意味着引入了极大的复杂性。一个Goroutine既要包含要执行的代码，又要包含用于执行该代码的栈和PC、SP指针。

2 调度器解决了什么问题？

2.1 栈管理

既然每个Goroutine都有自己的栈，那么在创建Goroutine时，就要同时创建对应的栈。 Goroutine在执行时，栈空间会不停增长。栈通常是连续增长的，由于每个进程中的各个线程共享虚拟内存空间，当有多个线程时，就需要为每个线程分配不同起始地址的栈。这就需要在分配栈之前先预估每个线程栈的大小。如果线程数量非常多，就很容易栈溢出。

为了解决这个问题，就有了Split Stacks技术：创建栈时，只分配一块比较小的内存，如果进行某次函数调用导致栈空间不足时，就会在其他地方分配一块新的栈空间。新的空间不需要和老的栈空间连续。函数调用的参数会拷贝到新的栈空间中，接下来的函数执行都在新栈空间中进行。

Golang的栈管理方式与此类似，但是为了更高的效率，使用了连续栈（Golang连续栈）实现方式也是先分配一块固定大小的栈，在栈空间不足时，分配一块更大的栈，并把旧的栈全部拷贝到新栈中。这样避免了Split Stacks方法可能导致的频繁内存分配和释放。

2.2 抢占式调度

Goroutine的执行是可以被抢占的。如果一个Goroutine一直占用CPU，长时间没有被调度过，就会被runtime抢占掉，把CPU时间交给其他Goroutine。

3 调度器的设计

早期版本的Golang是没有P的，调度是由G与M完成。这样的问题在于每当创建、终止Goroutine或者需要调度时，需要一个全局的锁来保护调度的相关对象(sched)。全局锁严重影响Goroutine的并发性能。 (Scalable Go Scheduler)

4 调度器的实现

4.1 schedule()与findrunnable()函数

Goroutine调度是在P中进行，每当runtime需要进行调度时，会调用schedule()函数，该函数在proc1.go文件中定义。

schedule()函数首先调用runqget()从当前P的队列中取一个可以执行的G。如果队列为空，继续调用findrunnable()函数。findrunnable()函数会按照以下顺序来取得G：

如果以上四步都没能获取成功，就继续执行一些低优先级的工作：

如果还没有获得G，就停止当前M的执行，返回findrunnable()函数开头重新执行。如果findrunnable()正常返回一个G，shedule()函数会调用execute()函数执行该G。 execute()函数会调用gogo()函数（在汇编源文件asm_XXX.s中定义，XXX代表系统架构），gogo() 函数会从G.sched结构中恢复出G上次被调度器暂停时的寄存器现场（SP、PC等），然后继续执行。

4.2 如何进行抢占?

runtime在程序启动时，会自动创建一个系统线程，运行sysmon()函数（在proc1.go中定义）。 sysmon()函数在整个程序生命周期中一直执行，负责监视各个Goroutine的状态、判断是否要进行垃圾回收等。

sysmon()会调用retake()函数，retake()函数会遍历所有的P，如果一个P处于执行状态，且已经连续执行了较长时间，就会被抢占。retake()调用preemptone()将P的stackguard0设为stackPreempt(关于stackguard的详细内容，可以参考 Split Stacks)，这将导致该P中正在执行的G进行下一次函数调用时，导致栈空间检查失败。进而触发morestack()（汇编代码，位于asm_XXX.s中）然后进行一连串的函数调用，主要的调用过程如下：

在goschedImpl()函数中，会通过调用dropg()将G与M解除绑定；再调用globrunqput()将G加入全局runnable队列中。最后调用schedule() 来用为当前P设置新的可执行的G。

Erlang & Go 的并发调度浅析

作为当前业界比较关注的两种面向并发领域的编程语言，Erlang和Go的调度是如何实现的？

Go 语言和 Erlang 都是面向并发应用的语言，都采用轻量级线程和消息传递模型。尽管Go在语法上也支持共享，但必须以通信的方式同步方能保证其正确性。Erlang则是完全不支持进程间的共享，状态信息完全需要依靠消息彼此传递。

从底层来看，在 Google 官方编译器中，Go 语言的 Goroutine 是一种类似协程的结构，由于采用了定制的C编译器来构建，因此其上下文切换的效率要高于C库的 coroutine（只需要切换PC和栈帧，其他寄存器由函数调用者负责保存）；而在 Go 的 GCC 前端中，Goroutine 则直接由C库的 coroutine 机制实现。由于 Erlang 是基于 BEAM 虚拟机执行的，因此它的所谓 “轻量进程” 也就仅仅是 BEAM 上的概念，不对应C语言或OS级的概念。

从调度策略来看，Go 完全是协作式调度，一个执行中的 Goroutine 仅在操作被阻塞或显示让出处理器时被切换出去，Goroutine之间也没有优先级之分； Erlang 则采用一种名为“Reduction-Counting”的轮转调度策略，并且存在4个进程优先级。

值得注意的是在 Go 1.2 版之后，增加了一些简单的抢占机制，但仅有用户程序函数调用时刻才可能触发抢占的判断，并不是真正意义上的抢占，具体思想参见这里。

Go 的调度器的最新版实现了M：N的调度方式，通过 GOMAXPROCS 指定最大的并行能力； Erlang 的 BEAM 虚拟机也支持SMP方式，一般情况下以系统的核心数或硬件线程数作为其调度器个数，每个调度器会绑定到一个OS线程，IO 等阻塞型操作由单独的系统线程负责调度。

Go 的负载平衡一般是采用 “Work-Stealing” 方式；Erlang则是维护一个“任务迁移队列”，调度器会定期计算任务迁移的路径。此外，Erlang也提供了“Work-Stealing” 方式作为补充。充。

Go的调度模型简介

对于线程调度器，一般有3中模型：

N：1，即多个用户线程运行在一个OS线程上
1：1，即用户线程和OS线程一一对应
N：M，即一定数量的用户线程映射到一定数量的OS线程上

第一种方式的优点是用户线程切换较快，但可扩展性不好，难以很好发挥多核处理器的并行性（libtask 属于该类型）；而第二种与之相反，其能很好的利用多核并行性，但是用户线程资源开销和调度成本都比较大。第三种方式理论上能在调度开销和并行性之间取得较好的折衷。

在Go 1.1 中，Dmirty Vyukov 对调度器进行了重新设计，由原来的 1：1 模型进化到 M：N 模型，从而使 Go 在并行编程性能上有了显著的提升。

Go 的新调度器模型主要涉及3个核心概念：M、P及G，如下图所示：

M 代表OS的线程，P代表当前系统的处理器数（一般由GOMAXPROCS 环境变量指定），G代表Go语言的用户级线程，也就是通常所说的 Goroutine。

新的调度器由1:1 进化到 M:N 的关键在于新加了 P 这个抽象结构。在多核平台上，P的数量一般对应处理器核心或硬件线程的数量，调度器需要保证所有的P都有G执行，以保证并行度。

M 必须与P绑定方能执行任务G，如下图所示：

在旧版 Go 调度器实现中，由于缺少P, 一旦运行 G （goroutine）的 M （OS线程）陷入阻塞状态（如调用某个阻塞的系统调用）时，M 对应的 OS 线程就会被操作系统调度出去，从而导致系统中其他就绪的G也不能执行；而添加了P这个逻辑结构后，一旦发生上述情况，阻塞的 M 将被与其对应的 P 剥离，RUNTIME会再分配一个 M 并将其与已经剥离出来的 P 绑定，运行其他就绪的G。这个过程如下图所示：

在实际实现中，考虑到代码执行的局部性因素，一般会倾向于推迟 M 与 P 剥离的时机。具体来说，RUNTIME中存在一个驻留的线程sysmon，用来监控所有进入Syscall 的 M，只有当 Syscall 执行时间超出某个阈值时，才会将 M 与 P 分离。

另外一个保证系统运行稳定性的方式是负载均衡机制，在Go中，用了 “任务窃取” 的方法。

首先介绍一下 Go 的任务队列，每个 P 都有一个私有的任务队列（实现上是一个用数组表示的循环链表）以及一个公共队列（单链表表示），私有队列的功能是为了减轻公共队列的竞争开销。

当一个 P 的私有任务队列为空时，它会从全局队列中寻找就绪态的 G 执行；如果全局队列也为空，则会随机选择窃取其他 P 私有执行队列中的任务G，从而保证所有线程尽可能以最大负载工作。其示意图如下：

由于 P 的私有队列采用了数组结构，很容易计算出队列中间的位置，因此“窃取者” 采用了与 “被窃取者” 均分任务的方法，以尽可能达到负载均衡。

无论从公共队列取任务还是进行“窃取”，都会引起一定的竞争开销，因此 RUNTIME 会倾向于将新建任务或新转变为就绪态的任务添加到当前执行 P 的私有队列中。仅当执行的任务调用 yield 机制让出处理器或进入了一个长时间执行的系统调用时，该任务才会被添加到公共队列中。

以上关于Go调度器的部分内容及图片转自：http://morsmachine.dk/go-scheduler

Erlang的调度模型简介

由于 Erlang 程序是运行在 BEAM 虚拟机之上，因此其调度器在实现上和 Go 等 Native 语言存在较大的差异，但其内部涉及的基本原理都是类似的，可以互相参考。

早期的 BEAM 虚拟机是单线程运行的，直到2006年才引入了 SMP 版本的 BEAM 虚拟机，经过了若干早期版本的演化，逐渐形成了今天的版本。最新版本的Erlang可以通过命令行参数指定是否启用 SMP 版本虚拟机。

BEAM 上的调度单位是“轻量进程”，这是一种虚拟机上的轻量级执行线索（由于 Erlang 的 process 是不共享内存的，行为更像进程而非线程，因此我们在这里叫它“轻量进程”）。每个 Erlang 进程包括一个控制块（PCB）、一个栈和私有的堆空间，一些特殊的结构，如二进制数据，ETS 表是进程间共享的，使用全局堆空间。

BEAM 虚拟机里存在一些并行的调度器，一般情况下，一个调度器会映射为一个 OS 线程，这种方式类似于早期的Go语言实现（只有M和G，没有P），每个调度器拥有各自的任务队列，调度器之间的负载平衡通过引入专门的任务迁移机制得以实现。其原理如下图所示：

通常，调度器的数量与运行平台的处理器核数或硬件线程数相等，也可以通过 BEAM 命令行参数指定，或在运行时动态修改。

在BEAM系统中，除了process之外，还存在三种其他的调度单位：端口（ports）、链入式驱动（linkd-in drivers）和系统级活动（system level activities）; 这三种特殊的任务形式主要用来进行IO操作和执行其他语言的代码等功能，其部分功能很像 Go 中对执行阻塞 Syscall 任务的“剥离”机制，具体实现方法这里暂时不讨论。我们主要将精力集中在 Erlang 的 process 的调度机制上。

与 Go 不同，Erlang 的调度器是一个轮转而非协作式的调度器，每个进程创建时会被分配一个称为“reduction”的值，是一个计算量的度量（基本上等同于函数调用的次数），类似 OS 的时间片。进程每执行一定量的计算后，reduction值就会累计，一旦达到阈值，该进程就会给切换出去。这种调度方式在 Erlang 中被称为 “reduction-counting”。

采用轮转的调度方式能更好的防止程序设计不当而导致的个别进程饿死的情况，同时能够实现更好的实时性功能。

同时，Erlang还为进程提供了四个不同的优先级：max，high，normal和low。不同优先级进程按优先级调度；同级进程按轮转方式调度。每个调度器包含3个任务队列，Max和High具有单独的队列，normal和low则位于同一个队列 —— 调度器忽略一定次数的low级进程来实现二者间的差别。

Erlang 调度器之所以能够实现优先级轮转调度，主要是得益于其基于虚拟机的执行方式：由于每条Erlang指令都需要经过 BEAM 解释执行，因此 process 的运行完全处于BEAM的监控之下，BEAM可以方便的完成对进程的切换。与之相对，由于 Go 的 Goroutine 与 RUNTIME 都是 Native 执行的，其在执行上的地位是平等的，RUNTIME 没有能力切换一个执行中的 Goroutine，除非其自己调出或调用RUNTIME 功在，因而只能实现协作调度。

注： Go 1.2 中，添加了简单的“用户态”任务抢占机制，主要是在系统线程sysmon中监控Goroutine的执行时间，然后借助“动态栈扩展”机制，在函数调用时刻切入RUNTIME并实现抢占。这种方式虽然很巧妙，但对某些特殊的情况，如没有调用非inline函数的耗时计算等，就没有多大效果力了。

Erlang 调度器通过定期进行“任务迁移”来达到负载平衡。“任务迁移”过程在同一时刻只能由一个调度器发起。首先，根据各调度器的任务队列的长度计算一个叫“Migtation limit”的值，这个值就是各调度器就绪队列长度的均值；然后，开始计算“Migataion Path”，算法是：

计算各队列长度与“Migtation limit”差值
找到差值中正最大和负最小的队列，记录一个从前者到后者进行任务迁移路径，以达到二者都接近“Migtation limit”
重复步骤1，直到达到负载均衡

下图显示了上述算法的实例：

“Migatation Path” 计算完成后，在每个调度时刻，调度器都会检查该路径，根据其指导去抓取（pull）或推送（push）相应任务队列的任务。这一步骤完成了真正的负载均衡。

作为“任务迁移”机制的补充，Erlang调度器还支持“任务窃取”机制：当一个活跃的调度器自己的任务队列为空且不能通过“任务迁移路径”抓取任务时，它会主动窃取其他调度器任务队列上的就绪任务，如果仍然没有可供执行的任务，则该调度器进入Waiting状态。

关于Erlang调度模型，主要部分参考了这篇文章的第三章及Erlang/OTP源码。

结论

通过上述简单对比，我们大体上了解了Erlang和Go两种语言在并发任务调度上的异同，可以说二者各有优缺点：Go 的调度模型更加高效（Native）而 Erlang 则提供了更强大的功能（实时性、优先级）。

关于调度器，其实还有很多内容，如 Go 和 Erlang 都支持“垃圾回收”，而GC在两种语言中对调度的影响如何等；同时，讲Go的 M：N 调度时说到 M 一旦陷入Syscall 阻塞后，系统会创建一个新的M（OS 线程）来接管 P 及其任务队列，那么当设计一个高度并发的IO系统时（如 Web 服务器），频繁的Syscall会导致大量 OS 线程创建，从而影响性能。Go如何解决这个问题呢？

在后续分析中，会针对 IO 和 GC 部分进行更加深入的讨论，以解答余下的有关调度器的问题。

特别说明：由于Go语言正处于高速发展的阶段，因此一些现在分析的内容可能会随时更新，在本文完成时，其稳定版本是 1.2 ，而包含大量更新的 1.3 版也呼之欲出，因此若本文内容不免出现滞后或错误，请大家及时指正！

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1 为什么Golang需要调度器？