Go调度器介绍和容易忽视的问题

Posted 2022-07-28 codewithtxt

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