调度器

多个线程可以属于同一个进程，并共享内存空间。多线程不需要新的虚拟内存空间，不也不需要内存管理单元处理上下文的切换，无需新建页表。线程的通信也是基于共享内存进行。

虽然线程比较轻量，但调度时也有较大的开销，每个线程会占用1M以上的内存空间，切换线程会消耗较多内存，恢复寄存器的内容（硬件上下文）还需要向OS申请或销毁资源，每次线程上下文切换都会消耗 1μs左右的时间，但 goroutine 上下文切换约为0.2μs，少了80%的开销。

Go 语言的调度器通过使用与 CPU 数量相等的线程减少线程频繁切换的内存开销。

1 设计思想

• 单线程调度器（0.x）全局只有一个 M（内核级线程），任务只能一个个顺序执行，一旦阻塞，后续任务都无法执行。其意义在于建立了 G、M 结构。
• 多线程调度器（1.0）GOMAXPROCS环境变量控制程序中的最大处理器数。调度器和锁是全局资源，锁竞争严重。线程需要经常互相传递 Goroutine，有大量延迟。
• 任务窃取调度器（1.1）引入了 P，作为 G-M 的中间层。在 P 的基础上实现基于Work Stealing 的调度器，P 本地队列为空时，会从其他 P 的队列中随机窃取一半 Goroutine，大大提高 M 的利用率。
• 抢占式调度器（1.2~至今）早期只有读写、主动让渡、被动阻塞时才会触发调度切换，当GC进行STW时，若一个 G 在阻塞调用，GC会一直等待
  • 基于协作的抢占（1.2~1.13）
  • 基于信号的抢占（1.14~至今）使用操作系统信号（SIGURG）异步抢占

2 数据结构

1. G goroutine 一个待执行的任务
2. M 操作系统的内核级线程，由操作系统的调度器调度和管理
3. P 处理器，可以看作运行在线程上的本地调度器

2.1 G

goroutine 是Go语言在用户态提供的轻量级线程，粒度更细的资源调度单元，能高效利用机器的CPU。

核心特征

• 轻量：2KB的初始栈空间
• 低上下文切换开销：用户态下完成调度，不涉及内核，并且只有少数几个硬件上下文

生命周期

Goroutine 在其生命周期中会经历多种状态变换，主要包括：

• _Gidle：刚分配，尚未初始化
• _Grunnable：在运行队列中，等待被执行
• _Grunning：正在执行
• _Gsyscall：正在执行系统调用
• _Gwaiting：阻塞等待（如等待锁、Channel 等）
• _Gdead：已退出

2.2 M

代表操作系统线程。

核心特征

• M 和 P 绑定
• M 的数量最多为 10000 sched.maxcound = 10000，默认情况下创建CPU核心数个 M
• 最多只有 GOMAXPROCS 个活跃线程能够正常运行

状态

• 自旋：正在寻找可运行的 G
• 非自旋：找不到，进入休眠，等待被唤醒

数据结构

type m struct {
	g0   *g
	curg *g
	...
}

• g0 是持有调度栈的 goroutine，一个比较特殊的 goroutine。会深度参与调度过程，包括 goroutine 的创建、大内存分配和 CGO 的执行。
• curg 是当前在线程上运行的 goroutine

2.3 P

通过处理器P的调度，每一个内核线程都能执行多个 goroutine，并在其阻塞时，及时让出计算资源，提高 M 的利用率。

• P 是 M 和 G 之间的调度中间层，提供线程需要的上下文环境
• 每个 P 有一个本地运行队列（LRQ） ，存储待执行的 G
• P 负责将 G 分配给 M 来执行
• P 的数量由 GOMAXPROCS 决定，默认等于 CPU 核心数
• 每个 P 最多关联 256 个 G

启动时，创建 GOMAXPROCS 个P，并绑定到不同的内核线程上。

状态

状态	描述
_Pidle	处理器没有运行用户代码或者调度器，被空闲队列或者改变其状态的结构持有，运行队列为空
_Prunning	被线程 M 持有，并且正在执行用户代码或者调度器
_Psyscall	没有执行用户代码，当前线程陷入系统调用
_Pgcstop	被线程 M 持有，当前处理器由于垃圾回收被停止	、
_Pdead	当前处理器已经不被使用

3 调度器启动

• 初始化调度器

  • 初始化锁、堆栈和内存分配器

  • 初始化系统线程 M0

  • 设置 Go环境变量和命令行参数

  • 初始化GC

• 创建 main goroutine

• 启动调度循环

go func() 时

• 获取当前 G 的 M 和 P
• 创建一个 g 结构体
• 初始化栈空间和上下文信息
• 优先放入 P 的本地队列 —— 本地队列满，一半放入全局队列
• 设置为下一个要执行的 G

调度信息

• 栈指针
• 程序计数器
• 上下文

4 调度循环

schedule() → findrunnable() → execute() → gogo() → Goroutine 任务 → goexit() → goexit0() → schedule()

函数	职责
schedule	调度入口，选择一个可执行的 G
findrunnable	查找可运行的 G（本地队列 → 全局队列 → 工作窃取 → 网络轮询器）
execute	准备执行 G，切换到 G 的栈
gogo	汇编实现，真正切换到 G 执行
goexit / goexit0	G 执行完毕后的清理工作，将 G 放回空闲队

5 触发调度

协作式调度为主，抢占式调度为辅

主动挂起

• 主动让出 CPU 给其他 G
• 阻塞操作：如 channel读写
• 状态 _Gwating

系统调用

• M 因系统调用陷入僵直态，与P解绑，P寻找其他空闲M
• 系统调用返回后，M尝试重新获取一个 P，没有则G被放入全局队列

抢占式调用

• 系统监控检测到 G 的运行时间过长
• 发送抢占信号
• G 暂停执行，放回队列

6 线程管理

缺少空闲 M 时，调度器会创建新的 M，尝试与一个空闲 P 绑定，没有绑定 P 的 M 进入阻塞。

自旋线程（有 P 无 G）是为了快速响应新任务。

找不到可运行的 G 时，进入非自旋状态，进入休眠，有新 G 要执行时，唤醒 M，唤醒后进入自旋态。