Go学习笔记—并发高级

Go并发机制

协程：一个线程可以对应多个协程，协程串行运行在用户空间。协程运行在线程之上，当一个协程执行完成后，可以选择主动让出，让另一个协程运行在当前线程之上。协程并没有增加线程数量，只是在线程的基础之上通过分时复用的方式运行多个协程，而且协程的切换在用户态完成，切换的代价比线程从用户态到内核态的代价小很多。

Go摒弃线程、进程、协程，提出goroutine：

M(machine)：一个M代表一个内核线程（与KSE一一对应）
P(processor)：一个P代表执行一个Go代码片段所必须的资源（上下文环境）
G(goroutine)：一个G代表一个Go代码片段。

一个M与一个P关联之后，就形成一个G的运行环境（内核线程+上下文环境）。M与KSE一对一，M与P总是一对一（当一个M因系统调用阻塞（运行的G进入系统调用），此时P会与M分离开来，并与新建/空闲的M关联），P与G一对多

操作	作用
runtime/debug.SetMaxThreads	设置M的最大数量
runtime.GOMAXPORCS	设置P的最大数量（可运行G队列的数量）

一、M、P、G

——M(Machine)

系统维护一个全局M列表（runtime.allm）调度器维护一个空闲M列表（runtime.sched.midle）

——P(Processor)

系统维护一个全局P列表（runtime.allp）调度器维护一个空闲P列表（runtime.sched.pidle）

每个P维护一个可运行G队列（runtime.p.runq）(队列满则会分出一半给调度器可运行G队列)与一个自由G列表（runtime.p.gfree）（已经运行完成的G，在欲启用一个go语句时，会复用该列表中的G。当P中的自由G列表元素过多或过少时，调度器的自由G列表会与其进行转移）

状态	说明
Pidle	当前P未与任何M存在关联
Prunning	当前P正在与某个M关联
Psyscall	当前P中运行的那个G正在进行系统调用
Pgcstop	运行时系统需要停止调度（系统开始垃圾回收的一些步骤，会将全部P设为此状态）
Pdead	当前P已经不会再被使用（调整最大P数量后，多余的P会被设为此状态）

非dead状态的P在系统欲停止调度时都会被置于Pgcstop状态。等到需要重启调度时，会被统一置于Pidle状态，即公平的接受再次调度。同时进入dead状态的P，其可运行的G与自由的G都会被转移到调度器的可运行G列表与自由G列表中。

——G(goroutine例程)

系统维护一个全局G列表（runtime.allgs）

调度器维护一个可运行G列表（runtime.sched.runqhead runtime.sched.runqtail）一个自由G列表（runtime.sched.gfreeStack runtime.sched.gfreeNoStack）

状态	说明
Gidle	刚被新分配，还未初始化
Grunnable	正在可运行队列中等待运行
Grunning	当前G正在运行
Gsyscall	当前G正在执行系统调用
Gwaiting	当前G正在阻塞
Gdead	当前G正在闲置
Gcopystack	当前G的栈正在被移动

Gdead不同于Pdead，前者可以加入自由列表等待再次复用，后者只会被销毁。

二、调度器

Go调度器不是运行在某个专用内核线程中的程序，调度器会运行在几乎所有已存在的M（内核线程）中。

调度器基本数据结构：空闲M列表，空闲P列表，可运行G队列，自由G列表，此外还有几个重要字段与需要停止调度的任务（Stop the world，STW）有关。

字段名	数据类型	作用
gcwaiting	uint32	是否需要因一些任务而停止调度（比如垃圾回收）
stopwait	int32	需要停止但仍未停止的P数量
stopnote	note	实现与stopwait相关的事件通知机制

在停止调度前，gcwaiting被置为1，调度任务在发现这一状态后，将当前P状态置为Pgcstop并将stopwait字段减一。当stopwait减为0时，说明所有P已置为Pgcstop，此时利用stopnote唤醒待执行的任务（比如垃圾回收），之后恢复gcwaiting为0。

字段名	数据类型	作用
sysmonwait	unit32	在停止调度期间系统监控任务是否在等待
sysmonnote	note	实现与sysmonwait相关的事件通知机制

这两个字段针对系统监测任务，即在执行需要停止调度的任务之前，也需要停止系统监测任务。系统监测程序发现所有P都已经闲置或gcwaiting不为0，会将sysmonwait置为1，并使用sysmonnote暂停自身，结束后，再恢复这两个状态。

一轮调度

在启动Go程序并完成初始化后，会启动一轮调度使得封装了main函数的G可以被调度运行，在G运行阻塞、结束、退出系统调用后都会引发一轮调度。

M与G的成对锁定，是为了CGO准备。即C的函数库会将数据存储于内核线程，所以为了放止数据丢失，只能在一段时期内将G与特定M进行关联。
当调度器为某个M1寻找到可执行G，但是检查到某个M2已经与该G锁定，则会立刻停止调度并停止M2，并将G交由M2运行（实际上是把M1的P交由M2），M1则寻找其他可执行G。——这意味着M2在运行锁定的G前，不会做其他事，即资源被浪费。
全力查找可运行的G：若还未找到G，则调度器会停止该M，并在以后特定时刻唤醒重新查找。还未找到可运行G的M称为自旋状态。

启用或停止M

（1）调度器调度一个M会预先检查其是否与某个G锁定；如果有，则会调用stoplockedm解除当前M与P的关联并将P转手，并暂停当前M的执行。

（2）调度器为M发现一个可运行的G，但是该G已经被其他M锁定。会调用startlockedm将本地M的P转手给锁定的M，并暂停本地M的运行。放入空闲M列表。

（3）调度器发现有STW任务时，会调用gcstopm停止当前M。即释放本地P（置为Pgcstop）并调用stopm。

（4）只有当有新工作，并且由空闲P时，调用startm才可以执行一个M。

操作	作用
stopm()	停止当前M的执行
gcstopm()	为STW任务让路，停止当前M，执行完毕后会被唤醒
stoplockedm()	停止已与某个G锁定的M的执行，直到这个G可运行
startlockedm(gp *g)	唤醒与gp锁定的那个M
startm(p *p, spining bool)	唤醒或创建一个M去关联P并开始执行

三、其他几个要点

——g0、m0

g0：系统中每个M拥有的特殊G。g0所拥有的内存称为M的调度栈，对应于内核中线程的栈，即OS线程栈。用于执行调度、垃圾回收、栈管理等。

gsignal：系统中每个M拥有的特殊G，用来处理信号。即信号栈。

m0：Go程序的第一个内核线程runtime.g0，用于执行引导程序。

——调度器锁和原子操作

每个M都有可能执行调度任务，而这些任务可能会并发进行，所以需要在读写一些全局变量时进行调度器锁保护。比如sched.stopwait（STW任务时记录需要停止的M）、sched.nmidle（对空闲M计数）、对核心元素容器进行存取（runtime.allp, runtime.sched.runqhead）。

同时也采用原子操作保护一些变量。比如sched.spining（对自旋M计数）、sched.ngsys（对系统G计数）、切换G状态。

——调整GC

Go的GC基于CMS(Concurrent Mark-Sweep)算法。调度器会适时调度GC相关任务执行，系统监测任务也会在必要时强制执行。有三种执行模式：

gcBackgroundMode：并发执行垃圾收集和清扫。
gcForceMode：串行的执行垃圾收集（即执行时停止调度），并发的执行垃圾清扫。
gcForceBlockMode：串行的执行垃圾收集和清扫。