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Go调度器介绍和容易忽视的问题

本文记录了本人对Golang调度器的理解和跟踪调度器的方法,特别是一个容易忽略的goroutine执行顺序问题,看了很多篇Golang调度器的文章都没提到这个点,分享出来一起学习,欢迎交流指正。

什么是调度器

为了方便刚接触操作系统和高级语言的同学,先用大白话介绍下什么是调度器。
调度,是将多个程序合理的安排到有限的CPU上来使得每个程序都能够得以执行,实现宏观的并发执行。比如我们的电脑CPU只有四核甚至双核,可是我们却可以在电脑上同时运行几十个程序,这就是操作系统调度器的功劳。但操作系统调度的是进程和线程,线程简单地说就是轻量级的进程,但是每个线程仍需要MB级别的内存,而且如果两个切换的线程在不同的进程中,还需要进程切换,会使CPU在调度这件事上花费大量时间。
为了更合理的利用CPU,Golang通过goroutine原生支持高并发,goroutine是由go调度器在语言层面进行调度,将goroutine安排到线程上,可以更充分地利用CPU。

Golang的调度器

Golang的调度器在runtime中实现,我们每个运行的程序执行前都会运行一个runtime负责调度goroutine,我们写的代码入口要在main包下的main函数中也是因为runtime.main函数会调用main.main。Golang的调度器在2012被重写过一次,现在使用的是新版的G-P-M调度器,但是我们还是先来看下老的G-M调度器,这样才可以更好的体会当前调度器的强大之处。

G-M模型:

下面是旧调度器的G-P模型:

M:代表线程,goroutine都是由线程来执行的;
Global G Queue:全局goroutine队列,其中G就代表goroutine,所有M都从这个队列中取出goroutine来执行。
这种模型比较简单,但是问题也很明显:

  1. 多个M访问一个公共的全局G队列,每次都需要加互斥锁保护,造成激烈的锁竞争和阻塞;
  2. 局部性很差,即如果M1上的G1创建了G2,需要将G2交给M2执行,但G1和G2是相关的,最好放在同一个M上执行。
  3. M中有mcache(内存分配状态),消耗大量内存和较差的局部性。
  4. 系统调用syscall会阻塞线程,浪费不能合理的利用CPU。

    G-P-M模型

    后来Go语言开发者改善了调度器为G-P-M模型,如下图:

其中G还是代表goroutine,M代表线程,全局队列依然存在;而新增加的P代表逻辑processor,现在G的眼中只有P,在G的眼里P就是它的CPU。并且给每个P新增加了局部队列来保存本P要处理的goroutine。
这个模型的调度方法如下:

  1. 每个P有个局部队列,局部队列保存待执行的goroutine
  2. 每个P和一个M绑定,M是真正的执行P中goroutine的实体
  3. 正常情况下,M从绑定的P中的局部队列获取G来执行
  4. 当M绑定的P的的局部队列已经满了之后就会把goroutine放到全局队列
  5. M是复用的,不需要反复销毁和创建,拥有work stealing和hand off策略保证线程的高效利用。
  6. 当M绑定的P的局部队列为空时,M会从其他P的局部队列中偷取G来执行,即work stealing;当其他P偷取不到G时,M会从全局队列获取到本地队列来执行G。
  7. 当G因系统调用(syscall)阻塞时会阻塞M,此时P会和M解绑即hand off,并寻找新的idle的M,若没有idle的M就会新建一个M。
  8. 当G因channel或者network I/O阻塞时,不会阻塞M,M会寻找其他runnable的G;当阻塞的G恢复后会重新进入runnable进入P队列等待执行
  9. mcache(内存分配状态)位于P,所以G可以跨M调度,不再存在跨M调度局部性差的问题
  10. G是抢占调度。不像操作系统按时间片调度线程那样,Go调度器没有时间片概念,G因阻塞和被抢占而暂停,并且G只能在函数调用时有可能被抢占,极端情况下如果G一直做死循环就会霸占一个P和M,Go调度器也无能为力。

Go调度器奇怪的执行顺序

是不是感觉自己对Go调度器工作原理已经有个初步的了解了?下面指出一个坑给你踩一下,小心了!
请看下面这段代码输出什么:

func main() {

    done := make(chan bool)

    values := []string{"a", "b", "c"}
    for _, v := range values {
        fmt.Println("--->", v)
        go func(u string) {
            fmt.Println(u)
            done <- true
        }(v)
    }

    // wait for all goroutines to complete before exiting
    for _ = range values {
        <-done
    }

}

先仔细想一下再看答案哦!

实际的数据结果是:

---> a
---> b
---> c
c
b
a

Go调度器示例代码可以在跟着示例代码学golang中查看,持续更新中,想系统学习Golang的同学可以关注一下。

可能你的第一反应是“不应该是输出a,b,c,吗?为什么输出是c,a,b呢?”
这里我们虽然是使用for循环创建了3个goroutine,而且创建顺序是a,b,c,按之前的分析应该是将a,b,c三个goroutine依次放进P的局部队列,然后按照顺序依次执行a,b,c所在的goroutine,为什么每次都是先执行c所在的goroutine呢?这是因为同一逻辑处理器中三个任务被创建后 理论上会按顺序 被放在同一个任务队列,但实际上最后那个任务会被放在专一的next(下一个要被执行的任务的意思)的位置,所以优先级最高,最可能先被执行,所以表现为在同一个goroutine中创建的多个任务中最后创建那个任务最可能先被执行

这段解释来自参考文章《Goroutine执行顺序讨论》中。

# 调度器状态的查看方法

GODEBUG这个Go运行时环境变量很是强大,通过给其传入不同的key1=value1,key2=value2… 组合,Go的runtime会输出不同的调试信息,比如在这里我们给GODEBUG传入了”schedtrace=1000″,其含义就是每1000ms,打印输出一次goroutine scheduler的状态。
下面演示使用Golang强大的GODEBUG环境变量可以查看当前程序中Go调度器的状态:

环境为Windows10的Linux子系统(WSL),WSL搭建和使用的代码在learn-golang项目有整理,代码在文末参考的鸟窝的文章中也可以找到。

 func main() {
    var wg sync.WaitGroup
    wg.Add(10)
    for i := 0; i < 10; i++ {
        go work(&wg)
    }
    wg.Wait()
    // Wait to see the global run queue deplete.
    time.Sleep(3 * time.Second)
}
func work(wg *sync.WaitGroup) {

    time.Sleep(time.Second)
    var counter int
    for i := 0; i < 1e10; i++ {
        counter++
    }
    wg.Done()
}

编译指令:

go build 01_GODEBUG-schedtrace.go
GODEBUG=schedtrace=1000 ./01_GODEBUG-schedtrace

结果:

SCHED 0ms: gomaxprocs=4 idleprocs=1 threads=5 spinningthreads=1 idlethreads=0 runqueue=0 [4 0 4 0]
SCHED 1000ms: gomaxprocs=4 idleprocs=4 threads=8 spinningthreads=0 idlethreads=3 runqueue=0 [0 0 0 0]
SCHED 2007ms: gomaxprocs=4 idleprocs=0 threads=8 spinningthreads=0 idlethreads=3 runqueue=0 [0 0 0 6]
SCHED 3025ms: gomaxprocs=4 idleprocs=0 threads=8 spinningthreads=0 idlethreads=3 runqueue=0 [0 0 0 6]
SCHED 4033ms: gomaxprocs=4 idleprocs=0 threads=8 spinningthreads=0 idlethreads=3 runqueue=0 [0 0 0 6]
SCHED 5048ms: gomaxprocs=4 idleprocs=0 threads=8 spinningthreads=0 idlethreads=3 runqueue=0 [0 0 0 6]
SCHED 6079ms: gomaxprocs=4 idleprocs=0 threads=8 spinningthreads=0 idlethreads=3 runqueue=0 [0 0 0 6]
SCHED 7081ms: gomaxprocs=4 idleprocs=0 threads=8 spinningthreads=0 idlethreads=3 runqueue=0 [0 0 0 6]
SCHED 8092ms: gomaxprocs=4 idleprocs=0 threads=8 spinningthreads=0 idlethreads=3 runqueue=0 [0 0 0 6]
SCHED 9113ms: gomaxprocs=4 idleprocs=0 threads=8 spinningthreads=0 idlethreads=3 runqueue=0 [0 1 0 1]
SCHED 10129ms: gomaxprocs=4 idleprocs=0 threads=8 spinningthreads=0 idlethreads=3 runqueue=0 [0 1 0 1]
SCHED 11134ms: gomaxprocs=4 idleprocs=0 threads=8 spinningthreads=0 idlethreads=3 runqueue=0 [0 1 0 1]
SCHED 12157ms: gomaxprocs=4 idleprocs=0 threads=8 spinningthreads=0 idlethreads=3 runqueue=0 [0 1 0 1]
SCHED 13170ms: gomaxprocs=4 idleprocs=0 threads=8 spinningthreads=0 idlethreads=3 runqueue=0 [0 1 0 1]
SCHED 14183ms: gomaxprocs=4 idleprocs=0 threads=8 spinningthreads=0 idlethreads=3 runqueue=0 [0 1 0 1]
SCHED 15187ms: gomaxprocs=4 idleprocs=0 threads=8 spinningthreads=0 idlethreads=3 runqueue=0 [0 1 0 1]
SCHED 16187ms: gomaxprocs=4 idleprocs=2 threads=8 spinningthreads=0 idlethreads=5 runqueue=0 [0 0 0 0]
SCHED 17190ms: gomaxprocs=4 idleprocs=2 threads=8 spinningthreads=0 idlethreads=5 runqueue=0 [0 0 0 0]
SCHED 18193ms: gomaxprocs=4 idleprocs=2 threads=8 spinningthreads=0 idlethreads=5 runqueue=0 [0 0 0 0]
SCHED 19196ms: gomaxprocs=4 idleprocs=2 threads=8 spinningthreads=0 idlethreads=5 runqueue=0 [0 0 0 0]
SCHED 20200ms: gomaxprocs=4 idleprocs=4 threads=8 spinningthreads=0 idlethreads=6 runqueue=0 [0 0 0 0]
SCHED 21210ms: gomaxprocs=4 idleprocs=4 threads=8 spinningthreads=0 idlethreads=6 runqueue=0 [0 0 0 0]
SCHED 22219ms: gomaxprocs=4 idleprocs=4 threads=8 spinningthreads=0 idlethreads=6 runqueue=0 [0 0 0 0]

看到怎么多输出不要慌, 了解每个字段的含义就很清晰了:

  • SCHED 1000ms
    自程序运行开始经历的时间
  • gomaxprocs=4
    当前程序使用的逻辑processor,即P,小于等于CPU的核数。
  • idleprocs=4
    空闲的线程数
  • threads=8
    当前程序的总线程数M,包括在执行G的和空闲的
  • spinningthreads=0
    处于自旋状态的线程,即M在绑定的P的局部队列和全局队列都没有G,M没有销毁而是在四处寻觅有没有可以steal的G,这样可以减少线程的大量创建。
  • idlethreads=3
    处于idle空闲状态的线程
  • runqueue=0
    全局队列中G的数目
  • [0 0 0 6]
    本地队列中的每个P的局部队列中G的数目,我的电脑是四核所有有四个P。

上面的输出信息已经足够我们了解我们的程序运行状况,要想看每个goroutine、m和p的详细调度信息,可以在GODEBUG时加入,scheddetail

 GODEBUG=schedtrace=1000,scheddetail=1 ./01_GODEBUG-schedtrace

结果如下:
SCHED 0ms: gomaxprocs=4 idleprocs=4 threads=7 spinningthreads=0 idlethreads=2 runqueue=0 gcwaiting=0 nmidlelocked=0 stopwait=0 sysmonwait=0 P0: status=0 schedtick=7 syscalltick=1 m=-1 runqsize=0 gfreecnt=0 P1: status=0 schedtick=2 syscalltick=1 m=-1 runqsize=0 gfreecnt=0 P2: status=0 schedtick=1 syscalltick=1 m=-1 runqsize=0 gfreecnt=0 P3: status=0 schedtick=1 syscalltick=1 m=-1 runqsize=0 gfreecnt=0 M6: p=-1 curg=-1 mallocing=0 throwing=0 preemptoff= locks=0 dying=0 spinning=false blocked=true lockedg=-1 M5: p=-1 curg=-1 mallocing=0 throwing=0 preemptoff= locks=0 dying=0 spinning=false blocked=true lockedg=-1 M4: p=-1 curg=33 mallocing=0 throwing=0 preemptoff= locks=0 dying=0 spinning=false blocked=true lockedg=-1 M3: p=-1 curg=49 mallocing=0 throwing=0 preemptoff= locks=0 dying=0 spinning=false blocked=true lockedg=-1 M2: p=-1 curg=17 mallocing=0 throwing=0 preemptoff= locks=0 dying=0 spinning=false blocked=true lockedg=-1 M1: p=-1 curg=-1 mallocing=0 throwing=0 preemptoff= locks=1 dying=0 spinning=false blocked=false lockedg=-1 M0: p=-1 curg=14 mallocing=0 throwing=0 preemptoff= locks=0 dying=0 spinning=false blocked=true lockedg=-1 G1: status=4(semacquire) m=-1 lockedm=-1 G2: status=4(force gc (idle)) m=-1 lockedm=-1 G3: status=4(GC sweep wait) m=-1 lockedm=-1 G4: status=4(sleep) m=-1 lockedm=-1 G5: status=4(sleep) m=-1 lockedm=-1 G6: status=4(sleep) m=-1 lockedm=-1 G7: status=4(sleep) m=-1 lockedm=-1 G8: status=4(sleep) m=-1 lockedm=-1 G9: status=4(sleep) m=-1 lockedm=-1 G10: status=4(sleep) m=-1 lockedm=-1 G11: status=4(sleep) m=-1 lockedm=-1 G12: status=4(sleep) m=-1 lockedm=-1 G13: status=4(sleep) m=-1 lockedm=-1 G14: status=3() m=0 lockedm=-1 G33: status=3() m=4 lockedm=-1 G17: status=3() m=2 lockedm=-1 G49: status=3() m=3 lockedm=-1

代码可以在跟着示例代码学golang中查看,持续更新中,想系统学习Golang的同学可以关注一下。

参考资料:

大彬Go调度器系列

也谈goroutine调度器

鸟窝 Go调度器跟踪

Go调度器详解

Goroutine执行顺序讨论

posted @ 2019-08-17 20:27 CodeWithTxT 阅读(...) 评论(...) 编辑 收藏