? ?我們都知道Go語言是原生支持語言級并發的，這個并發的最小邏輯單元就是goroutine。goroutine就是Go語言提供的一種用戶態線程，當然這種用戶態線程是跑在內核級線程之上的。當我們創建了很多的goroutine，并且它們都是跑在同一個內核線程之上的時候，就需要一個調度器來維護這些goroutine，確保所有的goroutine盡可能公平的使用cpu資源。

????????這個調度器的原理以及實現值得我們去深入研究一下。支撐整個調度器的主要有4個重要結構，分別是Sched、M、P、G，Sched定義在proc.c中，隨后三個都定義在runtime.h中。

（1）Sched 結構就是調度器，它維護有存儲M和G的隊列以及調度器的一些狀態信息等。
（2）M 代表內核級線程，一個M就是一個線程，goroutine就是跑在M之上的；M是一個很大的結構，里面維護小對象內存cache（mcache）、當前執行的goroutine、隨機數發生器等等非常多的信息。
（3）P 全稱是Processor（處理器），它的主要用途就是用來執行goroutine的，所以它也維護了一個goroutine隊列，里面存儲了所有需要它來執行的goroutine，這個P的角色可能有一點讓人迷惑，一開始容易和M沖突，后面重點聊一下它們的關系。
（4）G 就是goroutine實現的核心結構了，G維護了goroutine

????????理解M、P、G三者的關系對理解整個調度器非常重要，我從網絡上找了一個圖來說明其三者關系：

????????地鼠(gopher)用小車運著一堆待加工的磚。M就可以看作圖中的地鼠，P就是小車，G就是小車里裝的磚。一圖勝千言啊，弄清楚了它們三者的關系，下面我們就開始重點聊地鼠是如何在搬運磚塊的。

1.?初始化Processor（P）

????????在關心絕大多數程序的內部原理的時候，我們都試圖去弄明白其啟動初始化過程，弄明白這個過程對后續的深入分析至關重要。asm_amd64.s文件包含的匯編代碼_rt0_amd64就是整個啟動過程，核心過程如下：

CALL runtime·args(SB) CALL runtime·osinit(SB) CALL runtime·hashinit(SB) CALL runtime·schedinit(SB)// create a new goroutine to start program PUSHQ $runtime·main·f(SB) // entry PUSHQ $0 // arg size CALL runtime·newproc(SB) POPQ AX POPQ AX// start this M CALL runtime·mstart(SB)

? ? ??啟動過程做了調度器初始化 runtime·schedinit 后，調用 runtime·newproc 創建出第一個 goroutine，這個goroutine將執行的函數是 runtime·main·f，這第一個 goroutine 也就是所謂的主goroutine。我們寫的最簡單的Go程序”hello，world”就是完全跑在這個 goroutine 里，當然任何一個Go程序的入口都是從這個 goroutine 開始的。最后調用的 runtime·mstart 就是真正的執行上一步創建的主 goroutine。

????????啟動過程中的調度器初始化 runtime·schedinit 函數主要根據用戶設置的?GOMAXPROCS?值來創建一批小車(P)，不管 GOMAXPROCS 設置為多大，最多也只能創建256個小車(P)。這些小車(p)初始創建好后都是閑置狀態，也就是還沒開始使用，所以它們都放置在調度器結構(Sched)的 pidle 字段維護的鏈表中存儲起來了，以備后續之需。

????????查看 runtime·main 函數可以了解到主 goroutine 開始執行后，做的第一件事情是創建了一個新的內核線程(地鼠M)，不過這個線程是一個特殊線程，它在整個運行期專門負責做特定的事情——系統監控(sysmon)。接下來就是進入Go程序的 main 函數開始Go程序的執行。

????????至此，Go程序就被啟動起來開始運行了。一個真正干活的Go程序，一定創建有不少的 goroutine，所以在Go程序開始運行后，就會向調度器添加 goroutine，調度器就要負責維護好這些 goroutine 的正常執行。

2.?創建 goroutine(G)

????????在Go程序中，時常會有類似代碼：

go do_something()

????????go關鍵字就是用來創建一個 goroutine 的，后面的函數就是這個 goroutine 需要執行的代碼邏輯。go關鍵字對應到調度器的接口就是?runtime·newproc?。runtime·newproc干的事情很簡單，就負責制造一塊磚(G)，然后將這塊磚(G)放入當前這個地鼠(M)的小車(P)中。

????????每個新的 goroutine 都需要有一個自己的棧，G結構的 sched 字段維護了棧地址以及程序計數器等信息，這是最基本的調度信息，也就是說這個goroutine放棄cpu的時候需要保存這些信息，待下次重新獲得cpu的時候，需要將這些信息裝載到對應的cpu寄存器中。

????????假設這個時候已經創建了大量的 goroutne，就輪到調度器去維護這些 goroutine了。

3.?創建內核線程(M)

????????Go程序中沒有語言級的關鍵字讓你去創建一個內核線程，你只能創建 goroutine，內核線程只能由 runtime根據實際情況去創建。runtime 什么時候創建線程？以地鼠運磚圖來講，磚(G)太多了，地鼠(M)又太少了，實在忙不過來，剛好還有空閑的小車(P)沒有使用，那就從別處再借些地鼠(M)過來直到把小車(p)用完為止。這里有一個地鼠(M)不夠用，從別處借地鼠(M)的過程，這個過程就是創建一個內核線程(M)。創建M的接口函數是：

void newm(void (*fn)(void), P *p)

????????newm 函數的核心行為就是調用 clone 系統調用創建一個內核線程，每個內核線程的開始執行位置都是 runtime·mstart 函數，參數p就是一輛空閑的小車(p)。每個創建好的內核線程都從 runtime·mstart 函數開始執行了，它們將用分配給自己小車去搬磚了。

4. 調度器（Sched）

（1）調度核心

????????newm 接口只是給新創建的M分配了一個空閑的P，也就是相當于告訴借來的地鼠(M)——“接下來的日子，你將使用1號小車搬磚，記住是1號小車，待會自己到停車場拿車。”地鼠(M)去拿小車(P)這個過程就是?acquirep。runtime·mstart 在進入 schedule 之前會給當前M裝配上P，runtime·mstart 函數中的代碼：

if(m != &runtime·m0) {acquirep(m->nextp);m->nextp = nil; } schedule();

????????if分支的內容就是為當前M裝配上P，nextp 就是newm分配的空閑小車(P)，只是到這個時候才真正拿到手罷了。沒有P，M是無法執行 goroutine 的，就像地鼠沒有小車無法運磚一樣的道理。對應 acquirep 的動作是 releasep，把M裝配的P給載掉；活干完了，地鼠需要休息了，就把小車還到停車場，然后睡覺去。

? ? ? ?地鼠(M)拿到屬于自己的小車(P)后，就進入工場開始干活了，也就是上面的 schedule 調用。簡化 schedule 的代碼如下：

static void schedule(void) {G *gp;gp = runqget(m->p);if(gp == nil)gp = findrunnable();if (m->p->runqhead != m->p->runqtail &&runtime·atomicload(&runtime·sched.nmspinning) == 0 &&runtime·atomicload(&runtime·sched.npidle) > 0) // TODO: fast atomicwakep();execute(gp); }

這里涉及到4大步邏輯：

(1) runqget，地鼠(M)試圖從自己的小車(P)取出一塊磚(G)，當然結果可能失敗，也就是這個地鼠的小車已經空了，沒有磚了。

(2) findrunnable，如果地鼠自己的小車中沒有磚，那也不能閑著不干活是吧，所以地鼠就會試圖跑去工場倉庫取一塊磚來處理；工場倉庫也可能沒磚啊，出現這種情況的時候，這個地鼠也沒有偷懶停下干活，而是悄悄跑出去，隨機盯上一個小伙伴(地鼠)，然后從它的車里試圖偷一半磚到自己車里。如果多次嘗試偷磚都失敗了，那說明實在沒有磚可搬了，這個時候地鼠就會把小車還回停車場，然后睡覺休息了。如果地鼠睡覺了，下面的過程當然都停止了，地鼠睡覺也就是線程 sleep 了（“地鼠偷磚”叫work stealing，一種調度算法）。

(3) wakep，到這個過程的時候，可憐的地鼠發現自己小車里有好多磚啊，自己根本處理不過來；再回頭一看停車場居然有閑置的小車，立馬跑到宿舍一看，你妹，居然還有小伙伴在睡覺，直接給屁股一腳，“你妹，居然還在睡覺，老子都快累死了，趕緊起來干活，分擔點工作”。小伙伴醒了，拿上自己的小車，乖乖干活去了。有時候，可憐的地鼠跑到宿舍卻發現沒有在睡覺的小伙伴，于是會很失望，最后只好向工場老板說”停車場還有閑置的車啊，我快干不動了，趕緊從別的工場借個地鼠來幫忙吧”。最后工場老板就搞來一個新的地鼠干活了。
(4) execute，地鼠拿著磚放入火種歡快的燒練起來。

????????到這里，貌似整個工場都正常的運轉起來了，無懈可擊的樣子。不對，還有一個疑點沒解決啊，假設地鼠的車里有很多磚，它把一塊磚放入火爐中后，何時把它取出來，放入第二塊磚呢？難道要一直把第一塊磚燒練好，才取出來嗎？那估計后面的磚真的是等得花兒都要謝了。這里就是要真正解決goroutine的調度，上下文切換問題。

（2）調度點

????????當我們翻看 channel 的實現代碼可以發現，對 channel 讀寫操作的時候會觸發調用?runtime·park 函數。goroutine 調用 park 后，這個 goroutine 就會被設置位 waiting 狀態，放棄 cpu。被 park 的 goroutine 處于 waiting 狀態，并且這個 goroutine 不在小車(P)中。如果不對其調用 runtime·ready，它是永遠不會再被執行的。除了 channel 操作外，定時器中，網絡poll等都有可能park goroutine。

????????除了park可以放棄cpu外，調用?runtime·gosched 函數也可以讓當前 goroutine 放棄 cpu，但和 park 完全不同：gosched 是將 goroutine 設置為 runnable 狀態，然后放入到調度器全局等待隊列（也就是上面提到的工場倉庫，這下就明白為何工場倉庫會有磚塊(G)了吧）。

????????除此之外，就輪到系統調用了，有些系統調用也會觸發重新調度。Go語言完全是自己封裝的系統調用，所以在封裝系統調用的時候，可以做不少手腳，也就是進入系統調用的時候執行 entersyscall，退出后又執行 exitsyscall 函數。 也只有封裝了 entersyscall 的系統調用才有可能觸發重新調度，它將改變小車(P)的狀態為syscall。還記一開始提到的 sysmon 線程嗎？這個系統監控線程會掃描所有的小車(P)，發現一個小車(P)處于了syscall的狀態，就知道這個小車(P)遇到了 goroutine 在做系統調用，于是系統監控線程就會創建一個新的地鼠(M)去把這個處于syscall的小車給搶過來，開始干活，這樣這個小車中的所有磚塊(G)就可以繞過之前系統調用的等待了。被搶走小車的地鼠等系統調用返回后，發現自己的車沒，不能繼續干活了，于是只能把執行系統調用的goroutine放回到工場倉庫，自己睡覺去了。

????????從 goroutine 的調度點可以看出，調度器還是挺粗暴的，調度粒度有點過大，公平性也沒有想想的那么好。總之，這個調度器還是比較簡單的。

（3）現場處理

????????goroutine 在cpu上換入換出，不斷上下文切換的時候，必須要保證的事情就是保存現場和恢復現場，保存現場就是在 goroutine 放棄cpu的時候，將相關寄存器的值給保存到內存中；恢復現場就是在 goroutine 重新獲得 cpu 的時候，需要從內存把之前的寄存器信息全部放回到相應寄存器中去。

????????goroutine 在主動放棄cpu的時候(park/gosched)，都會涉及到調用?runtime·mcall?函數，此函數也是匯編實現，主要將 goroutine 的棧地址和程序計數器保存到G結構的?sched?字段中，mcall 就完成了現場保存。恢復現場的函數是?runtime·gogocall，這個函數主要在 execute 中調用，就是在執行 goroutine 前，需要重新裝載相應的寄存器。

https://studygolang.com/articles/9211

總結

以上是生活随笔為你收集整理的goroutine 那些事的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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