Go语言的调度模型（GPM）
GPM模型
定义于src/runtime/runtime2.go
- G: Gourtines（携带任务）, 每个Goroutine对应一个G结构体，G保存Goroutine的运行堆栈，即并发任务状态。G并非执行体，每个G需要绑定到P才能被调度执行。
- P: Processors（分配任务）, 对G来说，P相当于CPU核，G只有绑定到P(在P的local runq中)才能被调度。对M来说，P提供了相关的执行环境(Context)，如内存分配状态(mcache)，任务队列(G)等
- M: Machine（寻找任务）, OS线程抽象，负责调度任务，和某个P绑定，从P的runq中不断取出G，切换堆栈并执行，M本身不具备执行状态，在需要任务切换时，M将堆栈状态写回G，任何其它M都能据此恢复执行。
G-P-M模型示意图:
PS:
- P的个数由GOMAXPROCS指定，是固定的，因此限制最大并发数
- M的个数是不定的，由Go Runtime调整，默认最大限制为10000个
基本调度过程：
- 创建一个 G 对象；
- 将 G 保存至 P中；
- P 去唤醒（告诉）一个 M，然后继续执行它的执行序（分配下一个 G）；
- M 寻找空闲的 P，读取该 P 要分配的 G；
- 接下来 M 执行一个调度循环，调用 G → 执行 → 清理线程 → 继续找新的 G 执行。
各自携带的信息：
-
G
- 需执行函数的指令（指针）
- 线程上下文的信息（goroutine切换时，用于保存 g 的上下文，例如，变量、相关信息等）
- 现场保护和现场恢复（用于全局队列执行时的保护）
- 所属的函数栈
- 当前执行的 m
- 被阻塞的时间
-
P，P/M需要进行绑定，构成一个执行单元。P决定了同时可以并发任务的数量，可通过GOMAXPROCS限制同时执行用户级任务的操作系统线程。可以通过runtime.GOMAXPROCS进行指定。
- 状态（空闲、运行...）
- 关联的 m
- 可运行的 goroutine 的队列
- 下一个 g
-
M，所有M是有线程栈的。如果不对该线程栈提供内存的话，系统会给该线程栈提供内存(不同操作系统提供的线程栈大小不同)。
- 所属的调度栈
- 当前运行的 g
- 关联的 p
- 状态
基础知识：
普通栈：普通栈指的是需要调度的 goroutine 组成的函数栈，是可增长的栈，因为 goroutine 可以越开越多。
线程栈：线程栈是由需要将 goroutine 放置线程上的 m 们组成，实质上 m 也是由 goroutine 生成的，线程栈大小固定（设置了 m 的数量）。所有调度相关的代码，会先切换到该goroutine的栈中再执行。也就是说线程的栈也是用的g实现，而不是使用的OS的。
全局队列：该队列存储的 G 将被所有的 M 全局共享，为保证数据竞争问题，需加锁处理。
本地队列：该队列存储数据资源相同的任务，每个本地队列都会绑定一个 M ，指定其完成任务，没有数据竞争，无需加锁处理，处理速度远高于全局队列。
上下文切换：对于代码中某个值说，上下文是指这个值所在的局部(全局)作用域对象。相对于进程而言，上下文就是进程执行时的环境，具体来说就是各个变量和数据，包括所有的寄存器变量、进程打开的文件、内存(堆栈)信息等。
线程清理：
由于每个P都需要绑定一个 M 进行任务执行，所以当清理线程的时候，只需要将 P 释放（解除绑定）（M就没有任务），即可。P 被释放主要由两种情况：
- 主动释放：最典型的例子是，当执行G任务时有系统调用，当发生系统调用时M会处于阻塞状态。调度器会设置一个超时时间，当超时时会将P释放。
- 被动释放：如果发生系统调用，有一个专门监控程序，进行扫描当前处于阻塞的P/M组合。当超过系统程序设置的超时时间，会自动将P资源抢走。去执行队列的其它G任务。
阻塞是正在运行的线程没有运行结束，暂时让出 CPU。
抢占式调度：
在runtime.main中会创建一个额外m运行sysmon函数，抢占就是在sysmon中实现的。
sysmon会进入一个无限循环, 第一轮回休眠20us, 之后每次休眠时间倍增, 最终每一轮都会休眠10ms. sysmon中有netpool(获取fd事件), retake(抢占), forcegc(按时间强制执行gc), scavenge heap(释放自由列表中多余的项减少内存占用)等处理。
抢占条件：
- 如果 P 在系统调用中，且时长已经过一次 sysmon 后，则抢占；
调用 handoffp 解除 M 和 P 的关联。
- 如果 P 在运行，且时长经过一次 sysmon 后，并且时长超过设置的阻塞时长，则抢占；
设置标识，标识该函数可以被中止，当调用栈识别到这个标识时，就知道这是抢占触发的, 这时会再检查一遍是否要抢占。
流程：
每创建出一个 g，优先创建一个 p 进行存储，当 p 达到限制后，则加入状态为 waiting 的队列中。
如果 g 执行时需要被阻塞，则会进行上下文切换，系统归还资源后，再返回继续执行。
当一个G长久阻塞在一个M上时，runtime会新建一个M，阻塞G所在的P会把其他的G 挂载在新建的M上。当旧的G阻塞完成或者认为其已经死掉时 回收旧的M（抢占式调度）。
P会对自己管理的goroutine队列做一些调度（比如把占用CPU时间较长的goroutine暂停、运行后续的goroutine等等）当自己的队列消费完了就去全局队列里取，如果全局队列里也消费完了会去其他P的队列里抢任务（所以需要单独存储下一个 g 的地址，而不是从队列里获取）。
总结：
Go比较优势的设计就是P上下文这个概念的出现，如果只有G和M的对应关系，那么当G阻塞在IO上的时候，M是没有实际在工作的，这样造成了资源的浪费，没有了P，那么所有G的列表都放在全局，这样导致临界区太大，对多核调度造成极大影响。
保护现场的抢占式调度和G被阻塞后传递给其他m调用的核心思想，使得goroutine的产生。
从线程调度讲，Go语言相比起其他语言的优势在于OS线程是由OS内核来调度的，goroutine则是由Go运行时（runtime）自己的调度器调度的，这个调度器使用一个称为m:n调度的技术（复用/调度m个goroutine到n个OS线程）。 其一大特点是goroutine的调度是在用户态下完成的， 不涉及内核态与用户态之间的频繁切换，包括内存的分配与释放，都是在用户态维护着一块大的内存池， 不直接调用系统的malloc函数（除非内存池需要改变），成本比调度OS线程低很多。 另一方面充分利用了多核的硬件资源，近似的把若干goroutine均分在物理线程上， 再加上本身goroutine的超轻量，以上种种保证了go调度方面的性能。
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源码附注：
调度流程
在M与P绑定后，M会不断从P的Local队列(runq)中取出G(无锁操作)，切换到G的堆栈并执行，当P的Local队列中没有G时，再从Global队列中返回一个G(有锁操作，因此实际还会从Global队列批量转移一批G到P Local队列)，当Global队列中也没有待运行的G时，则尝试从其它的P窃取(steal)部分G来执行，源代码如下:
// go1.9.1 src/runtime/proc.go
// 省略了GC检查等其它细节，只保留了主要流程
// g: G结构体定义
// sched: Global队列
// 获取一个待执行的G
func findrunnable() (gp *g, inheritTime bool) {
// 获取当前的G对象
_g_ := getg()
top:
// 获取当前P对象
_p_ := _g_.m.p.ptr()
// 1. 尝试从P的Local队列中取得G 优先_p_.runnext 然后再从Local队列中取
if gp, inheritTime := runqget(_p_); gp != nil {
return gp, inheritTime
}
// 2. 尝试从Global队列中取得G
if sched.runqsize != 0 {
lock(&sched.lock)
// globrunqget从Global队列中获取G 并转移一批G到_p_的Local队列
gp := globrunqget(_p_, 0)
unlock(&sched.lock)
if gp != nil {
return gp, false
}
}
// 3. 检查netpoll任务
if netpollinited() && sched.lastpoll != 0 {
if gp := netpoll(false); gp != nil { // non-blocking
// netpoll返回的是G链表，将其它G放回Global队列
injectglist(gp.schedlink.ptr())
casgstatus(gp, _Gwaiting, _Grunnable)
if trace.enabled {
traceGoUnpark(gp, 0)
}
return gp, false
}
}
// 4. 尝试从其它P窃取任务
procs := uint32(gomaxprocs)
if atomic.Load(&sched.npidle) == procs-1 {
goto stop
}
if !_g_.m.spinning {
_g_.m.spinning = true
atomic.Xadd(&sched.nmspinning, 1)
}
for i := 0; i < 4; i++ {
// 随机P的遍历顺序
for enum := stealOrder.start(fastrand()); !enum.done(); enum.next() {
if sched.gcwaiting != 0 {
goto top
}
stealRunNextG := i > 2 // first look for ready queues with more than 1 g
// runqsteal执行实际的steal工作，从目标P的Local队列转移一般的G过来
// stealRunNextG指是否steal目标P的p.runnext G
if gp := runqsteal(_p_, allp[enum.position()], stealRunNextG); gp != nil {
return gp, false
}
}
}
...
}
当无G可执行时，M会与P解绑，进入休眠状态
用户态阻塞/唤醒
当Goroutine因为Channel操作而阻塞(通过gopark)时，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。
当阻塞的G被G2唤醒(通过goready)时(比如channel可读/写)，G会尝试加入G2所在P的runnext，然后再是P Local队列和Global队列。
SYSCALL
当G被阻塞在某个系统调用上时，此时G会阻塞在_Gsyscall状态，M也处于block on syscall状态，此时仍然可被抢占调度: 执行该G的M会与P解绑，而P则尝试与其它idle的M绑定，继续执行其它G。如果没有其它idle的M，但队列中仍然有G需要执行，则创建一个新的M。
当系统调用完成后，G会重新尝试获取一个idle的P，并恢复执行，如果没有idle的P，G将加入到Global队列。
系统调用能被调度的关键有两点:
runtime/syscall包中，将系统调用分为SysCall和RawSysCall，前者和后者的区别是前者会在系统调用前后分别调用entersyscall和exitsyscall(位于src/runtime/proc.go)，做一些现场保存和恢复操作，这样才能使P安全地与M解绑，并在其它M上继续执行其它G。某些系统调用本身可以确定会长时间阻塞(比如锁)，会调用entersyscallblock在发起系统调用前直接让P和M解绑(handoffp)。
另一个是sysmon，它负责检查所有系统调用的执行时间，判断是否需要handoffp。
sysmon
sysmon是一个由runtime启动的M，也叫监控线程，它无需P也可以运行，它每20us~10ms唤醒一次，主要执行:
- 释放闲置超过5分钟的span物理内存；
- 如果超过2分钟没有垃圾回收，强制执行；
- 将长时间未处理的netpoll结果添加到任务队列；
- 向长时间运行的G任务发出抢占调度；
- 收回因syscall长时间阻塞的P；
抢占式调度
当某个goroutine执行超过10ms，sysmon会向其发起抢占调度请求，由于Go调度不像OS调度那样有时间片的概念，因此实际抢占机制要弱很多: Go中的抢占实际上是为G设置抢占标记(g.stackguard0)，当G调用某函数时(更确切说，在通过newstack分配函数栈时)，被编译器安插的指令会检查这个标记，并且将当前G以runtime.Goched的方式暂停，并加入到全局队列。
NETPOLL
G的获取除了p.runnext，p.runq和sched.runq外，还有一中G从netpoll中获取，netpoll是Go针对网络IO的一种优化，本质上为了避免网络IO陷入系统调用之中，这样使得即便G发起网络I/O操作也不会导致M被阻塞（仅阻塞G），从而不会导致大量M被创建出来。
G创建：
G结构体会复用，对可复用的G管理类似于待运行的G管理，也有Local队列(p.gfree)和Global队列(sched.gfree)之分，获取算法差不多，优先从p.gfree中获取(无锁操作)，否则从sched.gfree中获取并批量转移一部分(有锁操作)，源代码参考src/runtime/proc.go:gfget函数。
从Goroutine的角度来看，通过go func()创建时，会从当前闲置的G队列取得可复用的G，如果没有则通过malg新建一个G，然后:
- 尝试将G添加到当前P的runnext中，作为下一个执行的G
- 否则放到Local队列runq中(无锁)
- 如果以上操作都失败，则添加到Global队列sched.runq中(有锁操作，因此也会顺便将当P.runq中一半的G转移到sched.runq)
G的几种暂停方式:
- gosched: 将当前的G暂停，保存堆栈状态，以
_GRunnable状态放入Global队列中，让当前M继续执行其它任务。无需对G进行唤醒操作，因为总会有M从Global队列取得并执行该G。抢占调度即使用该方式。 - gopark: 与goched的最大区别在于gopark没有将G放回执行队列，而是位于某个等待队列中(如channel的waitq，此时G状态为
_Gwaitting)，因此G必须被手动唤醒(通过goready)，否则会丢失任务。应用层阻塞通常使用这种方式。 - notesleep: 既不让出M，也不让G和P重新调度，直接让线程休眠直到被唤醒(notewakeup)，该方式更快，通常用于gcMark，stopm这类自旋场景
- notesleepg: 阻塞G和M，放飞P，P可以和其它M绑定继续执行，比如可能阻塞的系统调用会主动调用entersyscallblock，则会触发 notesleepg
- goexit: 立即终止G任务，不管其处于调用堆栈的哪个层次，在终止前，确保所有defer正确执行。
