是一個線程也是一個進(jìn)程,一個java程序啟動后它就是一個進(jìn)程,進(jìn)程相當(dāng)于一個空盒,它只提供資源裝載的空間,具體的調(diào)度并不是由進(jìn)程來完成的,而是由線程來完成的。一個java程序從main開始之后,進(jìn)程啟動,為整個程序提供各種資源,而此時將啟動一個線程,這個線程就是主線程,它將調(diào)度資源,進(jìn)行具體的操作。Thread、Runnable的開啟的線程是主線程下的子線程,是父子關(guān)系,此時該java程序即為多線程的,這些線程共同進(jìn)行資源的調(diào)度和執(zhí)行。
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Goroutine調(diào)度是一個很復(fù)雜的機制,下面嘗試用簡單的語言描述一下Goroutine調(diào)度機制,想要對其有更深入的了解可以去研讀一下源碼。
首先介紹一下GMP什么意思:
G ----------- goroutine: 即Go協(xié)程,每個go關(guān)鍵字都會創(chuàng)建一個協(xié)程。
M ---------- thread內(nèi)核級線程,所有的G都要放在M上才能運行。
P ----------- processor處理器,調(diào)度G到M上,其維護(hù)了一個隊列,存儲了所有需要它來調(diào)度的G。
Goroutine 調(diào)度器P和 OS 調(diào)度器是通過 M 結(jié)合起來的,每個 M 都代表了 1 個內(nèi)核線程,OS 調(diào)度器負(fù)責(zé)把內(nèi)核線程分配到 CPU 的核上執(zhí)行
模型圖:
避免頻繁的創(chuàng)建、銷毀線程,而是對線程的復(fù)用。
1)work stealing機制
當(dāng)本線程無可運行的G時,嘗試從其他線程綁定的P偷取G,而不是銷毀線程。
2)hand off機制
當(dāng)本線程M0因為G0進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)用阻塞時,線程釋放綁定的P,把P轉(zhuǎn)移給其他空閑的線程執(zhí)行。進(jìn)而某個空閑的M1獲取P,繼續(xù)執(zhí)行P隊列中剩下的G。而M0由于陷入系統(tǒng)調(diào)用而進(jìn)被阻塞,M1接替M0的工作,只要P不空閑,就可以保證充分利用CPU。M1的來源有可能是M的緩存池,也可能是新建的。當(dāng)G0系統(tǒng)調(diào)用結(jié)束后,根據(jù)M0是否能獲取到P,將會將G0做不同的處理:
如果有空閑的P,則獲取一個P,繼續(xù)執(zhí)行G0。
如果沒有空閑的P,則將G0放入全局隊列,等待被其他的P調(diào)度。然后M0將進(jìn)入緩存池睡眠。
如下圖
GOMAXPROCS設(shè)置P的數(shù)量,最多有GOMAXPROCS個線程分布在多個CPU上同時運行
在Go中一個goroutine最多占用CPU 10ms,防止其他goroutine被餓死。
具體可以去看另一篇文章
【Golang詳解】go語言調(diào)度機制 搶占式調(diào)度
當(dāng)創(chuàng)建一個新的G之后優(yōu)先加入本地隊列,如果本地隊列滿了,會將本地隊列的G移動到全局隊列里面,當(dāng)M執(zhí)行work stealing從其他P偷不到G時,它可以從全局G隊列獲取G。
協(xié)程經(jīng)歷過程
我們創(chuàng)建一個協(xié)程 go func()經(jīng)歷過程如下圖:
說明:
這里有兩個存儲G的隊列,一個是局部調(diào)度器P的本地隊列、一個是全局G隊列。新創(chuàng)建的G會先保存在P的本地隊列中,如果P的本地隊列已經(jīng)滿了就會保存在全局的隊列中;處理器本地隊列是一個使用數(shù)組構(gòu)成的環(huán)形鏈表,它最多可以存儲 256 個待執(zhí)行任務(wù)。
G只能運行在M中,一個M必須持有一個P,M與P是1:1的關(guān)系。M會從P的本地隊列彈出一個可執(zhí)行狀態(tài)的G來執(zhí)行,如果P的本地隊列為空,就會想其他的MP組合偷取一個可執(zhí)行的G來執(zhí)行;
一個M調(diào)度G執(zhí)行的過程是一個循環(huán)機制;會一直從本地隊列或全局隊列中獲取G
上面說到P的個數(shù)默認(rèn)等于CPU核數(shù),每個M必須持有一個P才可以執(zhí)行G,一般情況下M的個數(shù)會略大于P的個數(shù),這多出來的M將會在G產(chǎn)生系統(tǒng)調(diào)用時發(fā)揮作用。類似線程池,Go也提供一個M的池子,需要時從池子中獲取,用完放回池子,不夠用時就再創(chuàng)建一個。
work-stealing調(diào)度算法:當(dāng)M執(zhí)行完了當(dāng)前P的本地隊列隊列里的所有G后,P也不會就這么在那躺尸啥都不干,它會先嘗試從全局隊列隊列尋找G來執(zhí)行,如果全局隊列為空,它會隨機挑選另外一個P,從它的隊列里中拿走一半的G到自己的隊列中執(zhí)行。
如果一切正常,調(diào)度器會以上述的那種方式順暢地運行,但這個世界沒這么美好,總有意外發(fā)生,以下分析goroutine在兩種例外情況下的行為。
Go runtime會在下面的goroutine被阻塞的情況下運行另外一個goroutine:
用戶態(tài)阻塞/喚醒
當(dāng)goroutine因為channel操作或者network I/O而阻塞時(實際上golang已經(jīng)用netpoller實現(xiàn)了goroutine網(wǎng)絡(luò)I/O阻塞不會導(dǎo)致M被阻塞,僅阻塞G,這里僅僅是舉個栗子),對應(yīng)的G會被放置到某個wait隊列(如channel的waitq),該G的狀態(tài)由_Gruning變?yōu)開Gwaitting,而M會跳過該G嘗試獲取并執(zhí)行下一個G,如果此時沒有可運行的G供M運行,那么M將解綁P,并進(jìn)入sleep狀態(tài);當(dāng)阻塞的G被另一端的G2喚醒時(比如channel的可讀/寫通知),G被標(biāo)記為,嘗試加入G2所在P的runnext(runnext是線程下一個需要執(zhí)行的 Goroutine。), 然后再是P的本地隊列和全局隊列。
系統(tǒng)調(diào)用阻塞
當(dāng)M執(zhí)行某一個G時候如果發(fā)生了阻塞操作,M會阻塞,如果當(dāng)前有一些G在執(zhí)行,調(diào)度器會把這個線程M從P中摘除,然后再創(chuàng)建一個新的操作系統(tǒng)的線程(如果有空閑的線程可用就復(fù)用空閑線程)來服務(wù)于這個P。當(dāng)M系統(tǒng)調(diào)用結(jié)束時候,這個G會嘗試獲取一個空閑的P執(zhí)行,并放入到這個P的本地隊列。如果獲取不到P,那么這個線程M變成休眠狀態(tài), 加入到空閑線程中,然后這個G會被放入全局隊列中。
隊列輪轉(zhuǎn)
可見每個P維護(hù)著一個包含G的隊列,不考慮G進(jìn)入系統(tǒng)調(diào)用或IO操作的情況下,P周期性的將G調(diào)度到M中執(zhí)行,執(zhí)行一小段時間,將上下文保存下來,然后將G放到隊列尾部,然后從隊列中重新取出一個G進(jìn)行調(diào)度。
除了每個P維護(hù)的G隊列以外,還有一個全局的隊列,每個P會周期性地查看全局隊列中是否有G待運行并將其調(diào)度到M中執(zhí)行,全局隊列中G的來源,主要有從系統(tǒng)調(diào)用中恢復(fù)的G。之所以P會周期性地查看全局隊列,也是為了防止全局隊列中的G被餓死。
除了每個P維護(hù)的G隊列以外,還有一個全局的隊列,每個P會周期性地查看全局隊列中是否有G待運行并將其調(diào)度到M中執(zhí)行,全局隊列中G的來源,主要有從系統(tǒng)調(diào)用中恢復(fù)的G。之所以P會周期性地查看全局隊列,也是為了防止全局隊列中的G被餓死。
M0
M0是啟動程序后的編號為0的主線程,這個M對應(yīng)的實例會在全局變量rutime.m0中,不需要在heap上分配,M0負(fù)責(zé)執(zhí)行初始化操作和啟動第一個G,在之后M0就和其他的M一樣了
G0
G0是每次啟動一個M都會第一個創(chuàng)建的goroutine,G0僅用于負(fù)責(zé)調(diào)度G,G0不指向任何可執(zhí)行的函數(shù),每個M都會有一個自己的G0,在調(diào)度或系統(tǒng)調(diào)用時會使用G0的棧空間,全局變量的G0是M0的G0
一個G由于調(diào)度被中斷,此后如何恢復(fù)?
中斷的時候?qū)⒓拇嫫骼锏臈P畔ⅲ4娴阶约旱腉對象里面。當(dāng)再次輪到自己執(zhí)行時,將自己保存的棧信息復(fù)制到寄存器里面,這樣就接著上次之后運行了。
我這里只是根據(jù)自己的理解進(jìn)行了簡單的介紹,想要詳細(xì)了解有關(guān)GMP的底層原理可以去看Go調(diào)度器 G-P-M 模型的設(shè)計者的文檔或直接看源碼
參考: ()
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內(nèi)核線程(Kernel-Level Thread ,KLT)
輕量級進(jìn)程(Light Weight Process,LWP):輕量級進(jìn)程就是我們通常意義上所講的線程,由于每個輕量級進(jìn)程都由一個內(nèi)核線程支持,因此只有先支持內(nèi)核線程,才能有輕量級進(jìn)程
用戶線程與系統(tǒng)線程一一對應(yīng),用戶線程執(zhí)行如lo操作的系統(tǒng)調(diào)用時,來回切換操作開銷相對比較大
多個用戶線程對應(yīng)一個內(nèi)核線程,當(dāng)內(nèi)核線程對應(yīng)的一個用戶線程被阻塞掛起時候,其他用戶線程也阻塞不能執(zhí)行了。
多對多模型是可以充分利用多核CPU提升運行效能的
go線程模型包含三個概念:內(nèi)核線程(M),goroutine(G),G的上下文環(huán)境(P);
GMP模型是goalng特有的。
P與M一般是一一對應(yīng)的。P(上下文)管理著一組G(goroutine)掛載在M(內(nèi)核線程)上運行,圖中左邊藍(lán)色為正在執(zhí)行狀態(tài)的goroutine,右邊為待執(zhí)行狀態(tài)的goroutiine隊列。P的數(shù)量由環(huán)境變量GOMAXPROCS的值或程序運行runtime.GOMAXPROCS()進(jìn)行設(shè)置。
當(dāng)一個os線程在執(zhí)行M1一個G1發(fā)生阻塞時,調(diào)度器讓M1拋棄P,等待G1返回,然后另起一個M2接收P來執(zhí)行剩下的goroutine隊列(G2、G3...),這是golang調(diào)度器厲害的地方,可以保證有足夠的線程來運行剩下所有的goroutine。
當(dāng)G1結(jié)束后,M1會重新拿回P來完成,如果拿不到就丟到全局runqueue中,然后自己放到線程池或轉(zhuǎn)入休眠狀態(tài)??臻e的上下文P會周期性的檢查全局runqueue上的goroutine,并且執(zhí)行它。
另一種情況就是當(dāng)有些P1太閑而其他P2很忙碌的時候,會從其他上下文P2拿一些G來執(zhí)行。
詳細(xì)可以翻看下方第一個參考鏈接,寫得真好。
最后用大佬的總結(jié)來做最后的收尾————
Go語言運行時,通過核心元素G,M,P 和 自己的調(diào)度器,實現(xiàn)了自己的并發(fā)線程模型。調(diào)度器通過對G,M,P的調(diào)度實現(xiàn)了兩級線程模型中操作系統(tǒng)內(nèi)核之外的調(diào)度任務(wù)。整個調(diào)度過程中會在多種時機去觸發(fā)最核心的步驟 “一整輪調(diào)度”,而一整輪調(diào)度中最關(guān)鍵的部分在“全力查找可運行G”,它保證了M的高效運行(換句話說就是充分使用了計算機的物理資源),一整輪調(diào)度中還會涉及到M的啟用停止。最后別忘了,還有一個與Go程序生命周期相同的系統(tǒng)監(jiān)測任務(wù)來進(jìn)行一些輔助性的工作。
淺析Golang的線程模型與調(diào)度器
Golang CSP并發(fā)模型
Golang線程模型
線程:
多線程是為了解決CPU利用率的問題,線程則是為了減少上下文切換時的開銷,進(jìn)程和線程在Linux中沒有本質(zhì)區(qū)別,最大的不同就是進(jìn)程有自己獨立的內(nèi)存空間,而線程是共享內(nèi)存空間。
在進(jìn)程切換時需要轉(zhuǎn)換內(nèi)存地址空間,而線程切換沒有這個動作,所以線程切換比進(jìn)程切換代價要小得多。
協(xié)程:
想要簡單,又要性能高,協(xié)程就可以達(dá)到我們的目的,它是用戶視角的一種抽象,操作系統(tǒng)并沒有這個概念,主要思想是在用戶態(tài)實現(xiàn)調(diào)度算法,用少量線程完成大量任務(wù)的調(diào)度。
Goroutine是GO語言實現(xiàn)的協(xié)程,其特點是在語言層面就支持,使用起來十分方便,它的核心是MPG調(diào)度模型:M即內(nèi)核線程;P即處理器,用來執(zhí)行Goroutine,它維護(hù)了本地可運行隊列;G即Goroutine,代碼和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu);S及調(diào)度器,維護(hù)M和P的信息。