【GO面試精要】GMP并發模型、Goroutine

GMP并發模型

程序與線程與協程

多個線程屬于同一個程序并共享記憶體空間，線程之間的通訊基于共享的記憶體進行。

Go語言的排程器使用與CPU數量相等的線程來排程多個Goroutine。

”為什麼用Go語言?“

程序、線程存在問題：

1. CPU高消耗
   • 切換線程上下文需要申請、銷毀資源消耗時間高
2. 記憶體高占用
   • 線程占用1M以上的記憶體空間

協程（Goroutine）的優點：

1. 占用的記憶體更小(幾kb)
   • 初始為2kb，如果棧空間不足則自動擴容
2. 排程更靈活(runtime排程)
   • Go自己實作的排程器，建立和銷毀的消耗非常小，是使用者級。
3. 搶占式排程(10ms)
   • 編譯器插入搶占指令，函數調用時檢查目前Goroutine是否發起搶占請求
4. 1.14版本後支援基于信号的異步搶占(20ms)
   • 垃圾回收掃描棧時觸發搶占排程
   • 解決搶占式排程因垃圾回收和循環長時間占用資源（無法執行搶占指令）導緻程式暫停

GMP并發模型

GMP

圖-GMP

G 需要在 M 上才能運作，M 依賴 P 提供的資源，P 則持有待運作的 G，M 與 P 的數量沒有絕對關系，一個 M 阻塞，P 就會去建立或者切換另一個 M，是以，即使 P 的預設數量是 1，也有可能會建立很多個 M 出來。

G: 取 goroutine 的首字母，主要儲存 goroutine 的一些狀态資訊以及 CPU 的一些寄存器的值

M: 取 machine 的首字母，它代表一個工作線程，或者說系統線程。G 需要排程到 M 上才能運作，M 是真正工作的人

P:取 processor 的首字母，為 M 的執行提供“上下文”，儲存 M 執行 G 時的一些資源，例如本地可運作 G 隊列，memeory cache 等。

”你了解過GMP并發模型嗎?“

GM老版排程器：

1. 激烈的鎖競争
   • 從全局隊列中擷取G，需要加鎖
2. 局部性差
   • 比如當 G 中包含建立新協程的時候，M 建立了 G’，為了繼續執行 G，需要把 G’交給 M’執行，也造成了很差的局部性，因為 G’和 G 是相關的，最好放在 M 上執行，而不是其他 M’。
3. 系統開銷大
   • 系統調用 (CPU 在 M 之間的切換) 導緻頻繁的線程阻塞和取消阻塞操作增加了系統開銷。

M 想要執行、放回 G 都必須通路全局 G 隊列，并且 M 有多個，即多線程通路同一資源需要加鎖進行保證互斥 / 同步，是以全局 G 隊列是有互斥鎖進行保護的。

GMP新版排程器（記憶圖-GMP）

1. 解決GM老版排程器的問題
2. M(線程):N(協程)關系
   • 建立 M 個線程（CPU 執行排程的機關），之後建立的 N 個 goroutine 都會依附在這 M 個線程上執行。
   • 在同一時刻，一個線程上隻能跑一個 goroutine。當 goroutine 發生阻塞時，runtime 會把目前 goroutine 排程走，讓其他 goroutine 來執行。
3. 任務偷取(work stealing)
   • 全局隊列已經沒有 G，那 m 就要執行 work stealing (偷取)：從其他有 G 的 P 哪裡偷取一半 G 過來，放到自己的 P 本地隊列
4. 讓出執行權(hand off)
   • 某個G堵塞，線程釋放綁定的P，把P轉移給其它空閑線程

“go func() 執行過程?”

1. go關鍵字建立一個goroutine入隊，如果本地P隊列滿了則入隊全局G隊列
2. 從P隊列中隊頭的G交給M執行
3. P有兩個關鍵特性
   1. work stealing
   2. hand off

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