Golang调度器GPM原理与调度全分析
Golang调度器的由来
协程来提高CPU利用率
多进程、多线程已经提高了系统的并发能力，但是在当今互联网高并发场景下，为每个任务都创建一个线程是不现实的，因为会消耗大量的内存(进程虚拟内存会占用4GB[32位操作系统], 而线程也要大约4MB)。
大量的进程/线程出现了新的问题
- 高内存占用
- 调度的高消耗CPU
好了，然后工程师们就发现，其实一个线程分为“内核态“线程和”用户态“线程。
一个“用户态线程”必须要绑定一个“内核态线程”，但是CPU并不知道有“用户态线程”的存在，它只知道它运行的是一个“内核态线程”(Linux的PCB进程控制块)。
这样，我们再去细化去分类一下，内核线程依然叫“线程(thread)”，用户线程叫“协程(co-routine)".
看到这里，我们就要开脑洞了，既然一个协程(co-routine)可以绑定一个线程(thread)，那么能不能多个协程(co-routine)绑定一个或者多个线程(thread)上呢。
之后，我们就看到了有3中协程和线程的映射关系：N:1的关系
N个携程绑定一个线程，优点是携程在用户态线程即完成切换，不会陷入到内核
1:1 关系
1个协程绑定1个线程，这种最容易实现。协程的调度都由CPU完成了，不存在N:1缺点，
缺点：协程的创建、删除和切换的代价都由CPU完成，有点略显昂贵了。
M:N关系
M个协程绑定1个线程，是N:1和1:1类型的结合，克服了以上2种模型的缺点，但实现起来最为复杂。
Go语言的goroutine
Go为了提供更容易使用的并发方法，使用了goroutine和channel。goroutine来自协程的概念，让一组可复用的函数运行在一组线程之上，即使有协程阻塞，该线程的其他协程也可以被runtime调度，转移到其他可运行的线程上。最关键的是，程序员看不到这些底层的细节，这就降低了编程的难度，提供了更容易的并发。
Go中，协程被称为goroutine，它非常轻量，一个goroutine只占几KB，并且这几KB就足够goroutine运行完，这就能在有限的内存空间内支持大量goroutine，支持了更多的并发。虽然一个goroutine的栈只占几KB，但实际是可伸缩的，如果需要更多内容，runtime会自动为goroutine分配。
被废弃的goroutine调度器
Go目前使用的调度器是2012年重新设计的，因为之前的调度器性能存在问题，所以使用4年就被废弃了，那么我们先来分析一下被废弃的调度器是如何运作的？
大部分文章都是会用G来表示Goroutine，用M来表示线程，那么我们也会用这种表达的对应关系。
下面我们来看看被废弃的golang调度器是如何实现的？
M想要执行，返回G都必须访问全局G队列，并且M有多个，即多线程访问同一资源需要加锁进行保证互斥，同步，所以全局G队列都是有互斥锁保护的。
老调度器有几个缺点
- 创建、销毁、调度G都需要每个M获取锁，这就形成了激烈的锁竞争。
- M转移G会造成延迟和额外的系统负载。比如当G中包含创建新协程的时候，M创建了G’，为了继续执行G，需要把G’交给M’执行，也造成了很差的局部性，因为G’和G是相关的，最好放在M上执行，而不是其他M'。
- 系统调用(CPU在M之间的切换)导致频繁的线程阻塞和取消阻塞操作增加了系统开销。
Goroutine调度器的GMP模型的设计思想
面对之前调度器的问题，Go设计了新的调度器。
在新调度器中，出列M(thread)和G(goroutine)，又引进了P(Processor)。
Processor，它包含了运行goroutine的资源，如果线程想运行goroutine，必须先获取P，P中还包含了可运行的G队列。
GMP模型
在GO中，现成是运行goroutine的实体，调度器的功能是把可运行的goroutine分配到工作线程上
- 全局队列（Global Queue）：存放等待运行的G。
- P的本地队列：同全局队列类似，存放的也是等待运行的G，存的数量有限，不超过256个。新建G'时，G'优先加入到P的本地队列，如果队列满了，则会把本地队列中一半的G移动到全局队列。
- P列表：所有的P都在程序启动时创建，并保存在数组中，最多有
GOMAXPROCS(可配置)个。 - M：线程想运行任务就得获取P，从P的本地队列获取G，P队列为空时，M也会尝试从全局队列拿一批G放到P的本地队列，或从其他P的本地队列偷一半放到自己P的本地队列。M运行G，G执行之后，M会从P获取下一个G，不断重复下去。
Goroutine调度器和OS调度器是通过M结合起来的，每个M都代表了1个内核线程，OS调度器负责把内核线程分配到CPU的核上执行。
P的数量：
- 由启动时环境变量
$GOMAXPROCS或者是由runtime的方法GOMAXPROCS()决定。这意味着在程序执行的任意时刻都只有$GOMAXPROCS个goroutine在同时运行。
M的数量:
- go语言本身的限制：go程序启动时，会设置M的最大数量，默认10000.但是内核很难支持这么多的线程数，所以这个限制可以忽略。
- runtime/debug中的SetMaxThreads函数，设置M的最大数量
- 一个M阻塞了，会创建新的M。
M与P的数量没有绝对关系，一个M阻塞，P就会去创建或者切换另一个M，所以，即使P的默认数量是1，也有可能会创建很多个M出来。
P和M何时会被创建
1、P何时创建：在确定了P的最大数量n后，运行时系统会根据这个数量创建n个P。
2、M何时创建：没有足够的M来关联P并运行其中的可运行的G。比如所有的M此时都阻塞住了，而P中还有很多就绪任务，就会去寻找空闲的M，而没有空闲的，就会去创建新的M。
调度器的设计
复用线程：避免频繁的创建销毁线程，而是对线程的复用
work stealing机制：当本地无可运行的G时，尝试从其他线程绑定的P偷取G，而不是销毁线程。
hand off机制：当本线程因为G进行系统调用阻塞时，现成释放绑定的P，把P转移给其他空闲的线程执行
利用并行：GOMAXPROCS设置P的数量，最多有GOMAXPROCS哥线程分布在多个CPU上同时运行。GOMAXPROCS也限制了并发度，比如GOMAXPROCS=核数/2则最多利用了一半的核进行并行
抢占：在coroutine中要等待一个协程主动让出CPU才执行下一个协程，在Go中，一个goroutine最多占用CPU 10ms，防止其他goroutine被饿死，这就是goroutine不同于coroutine的一个地方。
全局G队列：在新的调度器中依然有全局G队列，但功能已经被弱化了，当M执行work stealing从其他P偷不到G时，它可以从全局G队列获取G。
go func()调度流程
从上图我们可以分析出几个结论：
1、我们通过 go func()来创建一个goroutine；
2、有两个存储G的队列，一个是局部调度器P的本地队列、一个是全局G队列。新创建的G会先保存在P的本地队列中，如果P的本地队列已经满了就会保存在全局的队列中；
3、G只能运行在M中，一个M必须持有一个P，M与P是1：1的关系。M会从P的本地队列弹出一个可执行状态的G来执行，如果P的本地队列为空，就会想其他的MP组合偷取一个可执行的G来执行；
4、一个M调度G执行的过程是一个循环机制；
5、当M执行某一个G时候如果发生了syscall或则其余阻塞操作，M会阻塞，如果当前有一些G在执行，runtime会把这个线程M从P中摘除(detach)，然后再创建一个新的操作系统的线程(如果有空闲的线程可用就复用空闲线程)来服务于这个P；
6、当M系统调用结束时候，这个G会尝试获取一个空闲的P执行，并放入到这个P的本地队列。如果获取不到P，那么这个线程M变成休眠状态， 加入到空闲线程中，然后这个G会被放入全局队列中。
调度器的生命周期
特殊的M0和G0
M0
M0是启动程序后的编号为0的主线程，这个M对应的实例会在全局变量runtime.m0中，不需要在heap上分配，M0负责执行初始化操作和启动第一个G， 在之后M0就和其他的M一样了。
G0
G0是每次启动一个M都会第一个创建的gourtine，G0仅用于负责调度的G，G0不指向任何可执行的函数, 每个M都会有一个自己的G0。在调度或系统调用时会使用G0的栈空间, 全局变量的G0是M0的G0。
我们来跟踪一段代码
package main
import "fmt"
func main() {
fmt.Println("Hello world")
}接下来我们来针对上面的代码对调度器里面的结构做一个分析。
也会经历如上图所示的过程：
- runtime创建最初的线程m0和goroutine g0，并把2者关联。
- 调度器初始化：初始化m0、栈、垃圾回收，以及创建和初始化由GOMAXPROCS个P构成的P列表。
- 示例代码中的main函数是
main.main，runtime中也有1个main函数——runtime.main，代码经过编译后，runtime.main会调用main.main，程序启动时会为runtime.main创建goroutine，称它为main goroutine吧，然后把main goroutine加入到P的本地队列。 - 启动m0，m0已经绑定了P，会从P的本地队列获取G，获取到main goroutine。
- G拥有栈，M根据G中的栈信息和调度信息设置运行环境
- M运行G
- G退出，再次回到M获取可运行的G，这样重复下去，直到
main.main退出，runtime.main执行Defer和Panic处理，或调用runtime.exit退出程序。
调度器的生命周期几乎占满了一个Go程序的一生，runtime.main的goroutine执行之前都是为调度器做准备工作，runtime.main的goroutine运行，才是调度器的真正开始，直到runtime.main