早期操作系统为单进程架构，进程串行执行，造成低效。

多进程/线程操作系统改进了并发能力，但带来高内存占用和调度开销问题。

Go语言引入了轻量级的Goroutine，一个goroutine仅占几KB内存，并由用户态调度协作式执行。

Go采用GMP模型：G代表goroutine，M代表线程，P代表调度器。

P的数量与CPU核数匹配，通过全局队列、局部队列和偷取机制调度goroutine，减少调度开销，实现高效并发。

01.线程调度

1、早期单线程操作系统

• 一切的软件都是跑在操作系统上，真正用来干活(计算)的是CPU

• 早期的操作系统每个程序就是一个进程，直到一个程序运行完，才能进行下一个进程，就是“单进程时代”

• 一切的程序只能串行发生

2、多进程/线程时代

• 在多进程/多线程的操作系统中，就解决了阻塞的问题，因为一个进程阻塞cpu可以立刻切换到其他进程中去执行

• 而且调度cpu的算法可以保证在运行的进程都可以被分配到cpu的运行时间片

• 这样从宏观来看，似乎多个进程是在同时被运行

• 但新的问题就又出现了，进程拥有太多的资源，进程的创建、切换、销毁，都会占用很长的时间

• CPU虽然利用起来了，但如果进程过多，CPU有很大的一部分都被用来进行进程调度了

• 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
  • 进程虚拟内存会占用4GB[32位操作系统], 而线程也要大约4MB

3、Go协程goroutine

• 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

• Goroutine特点：

  • 占用内存更小（几kb）
  • 调度更灵活(runtime调度)

4、协程与线程区别

• 协程跟线程是有区别的，线程由CPU调度是抢占式的
• 协程由用户态调度是协作式的，一个协程让出CPU后，才执行下一个协程

5、普通线程与goroutine

1）普通线程缺点

• 1）创建和切换太重

  • 操作系统线程的创建和切换都需要进入内核，而进入内核所消耗的性能代价比较高，开销较大；

• 2）内存占用大

  • 系统线程默认分配较大的栈内存，以防止极端情况下栈溢出
  • 虽然只是虚拟地址空间，实际物理内存不会立即分配，但大多数线程并不需要这么多内存，导致浪费
  • 线程的栈空间在创建时固定，无法动态调整，因此在某些场景仍可能面临栈溢出风险

2）goroutine为什么轻量

• 用户态线程

  • Goroutine 是用户态的，创建和切换无需进入内核，开销远小于操作系统线程。

• 灵活的栈内存管理

  • Goroutine 启动时默认栈大小仅为 2KB，大多数情况下足够用
  • 如果需要更多空间，栈会自动扩展；当栈空间不再需要时，还能自动缩小
  • 这样既避免了栈溢出的风险，也减少了内存浪费

02.调度器GMP模型 🔴

• G：goroutine（协程：待执行的任务）
• M：thread（内核线程，不是用户态线程） 由操作系统的调度器调度和管理
• P：processer（调度器） 可以被看做运行在线程上的本地调度器

1、GM模型

• G（协程），通常在代码里用 go 关键字执行一个方法，那么就等于起了一个G

• M（内核线程），操作系统内核其实看不见G和P，只知道自己在执行一个线程

• G和P都是在用户层上的实现

• 并发量小的时候还好，当并发量大了，这把大锁，就成为了性能瓶颈

• GPM由来
  • 基于没有什么是加一个中间层不能解决的思路，golang在原有的GM模型的基础上加入了一个调度器P
  • 可以简单理解为是在G和M中间加了个中间层
  • 于是就有了现在的GMP模型里的P

2、GMP模型

1）GMP概述

P和M的数量问题

• P的数量：环境变量$GOMAXPROCS；在程序中通过runtime.GOMAXPROCS()来设置
• M的数量：GO语言本身限定一万 (但是操作系统达不到)

• G：goroutine（协程：待执行的任务）
• M：thread（内核线程，不是用户态线程） 由操作系统的调度器调度和管理
  • 操作系统线程，负责真正执行代码，M 在运行时必须绑定一个 P 来调度 Goroutine
  • M 的数量没有直接的上限，可以动态创建或销毁
• P：processer（调度器） 可以被看做运行在线程上的本地调度器
  • P 负责调度 Goroutine，它有自己的 Goroutine 队列，但 P 不能直接执行代码，它必须绑定一个 M
  • P 的数量等于当前机器的 CPU 核数，默认值是 GOMAXPROCS = ncpu
  • 所以最多只有 GOMAXPROCS 个 Goroutine 并发执行，其他 Goroutine 必须等待
• 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

2）获取G

• ① P本地队列获取G
  • M想要运行G，就得先获取P，然后从P的本地队列获取G

• ② 本地队列中G移动到全局队列

  • 新建 G 时，新G会优先加入到 P 的本地队列；

  • 如果本地队列满了，则会把本地队列中一半的 G 移动到全局队列

• ③ 从其他P本地队列的G放到自己P队列
  • 如果全局队列为空时，M 会从其他 P 的本地队列偷（stealing）一半G放到自己 P 的本地队列

• ④ M从P获取下一个G，不断重复
  • 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

03.数据结构 🔴

1、g 结构体

• 当执行用户代码时
  • 工作线程的栈指针指向当前正在执行的 Goroutine 的栈（执行代码的运行环境是g结构体提提供的栈空间）
  • 这时，M.curg 指向当前正在执行的 Goroutine，执行用户代码指令
  • 当goroutine进行I/O操作或者其他阻塞时，会调度其他goroutine执行
• 当执行调度逻辑时
  • 工作线程切换到 g0 栈上，调度器代码运行在 g0 栈上（执行调度时使用g0栈空间）
  • 调度逻辑完成后，线程会根据需要切换到新的 Goroutine 的栈

1）g 结构体

• g 结构体
  • g 结构体用于代表一个goroutine，该结构体保存了goroutine所有运行状态及相关信息, 执行上下文（包括寄存器、栈等）
  • 每当一个 Goroutine 被调度到 CPU 上运行时，调度器会从 g.sched 中恢复寄存器状态，以便恢复上次的执行现场
  • 执行代码的运行环境是 g 结构体提提供的栈空间 g.stack，在这个空间里执行具体的用户指令
  • 当goroutine进行I/O操作或者其他阻塞时，当前 Goroutine 被挂起
    • 当调度器决定挂起一个 Goroutine 时，它会将该 Goroutine 的寄存器状态保存到 g.sched 中
    • 并设置 g.preempt 为 true，以标识这个 Goroutine 需要被抢占
  • 当该 Goroutine 再次被调度器选中时，调度器会从 g.sched 中恢复寄存器状态，并继续执行

// 前文所说的g结构体，它代表了一个goroutine
type g struct 
    stack          stack     // 栈内存范围 [stack.lo, stack.hi)
    sched          gobuf     // 保存调度信息，主要是几个寄存器的值
    m              *m        // 该字段指向正在执行该 Goroutine 的工作线程（M）
    preempt        bool      // 抢占调度标志，如果需要抢占调度，设置preempt为true

  	stackguard0    uintptr   // 用于调度器抢占式调度
  	atomicstatus   uint32    // Goroutine 的状态

    // schedlink字段指向全局运行队列中的下一个g,所有位于全局运行队列中的g形成一个链表
    schedlink      guintptr
}

2）g结构体字段详解

• 1）stack

  • 该字段表示 Goroutine 的栈内存范围，Goroutine 在该栈上运行它的代码
  • 场景:
    • 当 Goroutine 运行时，会在该栈空间中分配局部变量和执行函数调用
    • 当调度器需要挂起或恢复 Goroutine 时，它会使用这个栈范围来保存或恢复相关信息

• 2）sched

  • sched 保存了当前 Goroutine 的调度信息，主要是 CPU 寄存器的状态
  • gobuf 结构体包含了 PC（程序计数器）、SP（栈指针）等寄存器值
  • 这些值用于在 Goroutine 被挂起和恢复时记录和恢复其执行状态
  • 场景:
    • 当调度器挂起一个 Goroutine 时，它会将当前 CPU 寄存器的值保存到 sched 中
    • 然后，在 Goroutine 被重新调度时，调度器会从 sched 恢复寄存器的状态

• 3）m

  • 该字段指向正在执行该 Goroutine 的工作线程（M），这表明当前 g 是由哪个 m 绑定并正在运行
  • 场景:
    • 在 Go 的 GMP 模型中，M 负责执行 G，当一个 M 被分配一个 G 时，g.m 会指向对应的 M
    • 此字段用于追踪 Goroutine 和工作线程的关系

• 4）preempt

  • 当调度器检测到某个 Goroutine 长时间占用 CPU 时，可能会设置 preempt 为 true
  • 以强制中断该 Goroutine 并执行其他等待中的 Goroutine

• 5）stackguard0

  • 这是一个栈保护机制的标志，用于防止栈溢出

  • 场景: 当 Goroutine 使用到栈空间时，如果超过了 stackguard0，调度器会检测到栈空间不足并进行处理

• 6）atomicstatus

  • 保存了当前 Goroutine 的状态，这是一个原子变量，用于记录 Goroutine 是处于运行、等待、停止等状态

  • 调度器在对 Goroutine 进行调度时，会根据 atomicstatus 来决定如何处理 Goroutine

  • 例如将其标记为可运行或将其放入等待队列

• 7）schedlink

  • schedlink 用于将当前 Goroutine 链接到全局运行队列中的下一个 Goroutine

  • 全局运行队列中的 Goroutine 通过 schedlink 字段形成一个链表结构

  • 调度器可以通过该链表遍历所有待运行的 Goroutine

  • 场景:

    • 当 Goroutine 处于全局运行队列中等待被调度时，schedlink 将其与下一个等待调度的 Goroutine 链接起来
    • 调度器会使用该链表来管理全局的待运行 Goroutine

2、m 结构体

1）m 结构体

• m 执行 Go 代码时，必须先绑定一个 p

• m 通过 p 的 runq 获取本地队列中的 Goroutine

• m 将从 runq 中取出的 Goroutine 加载到 curg 字段，并开始执行该 Goroutine

// 结构关系图
m (工作线程)
 └── p (逻辑处理器)              // m.p 来访问 P
      └── runq (局部运行队列)    // 再从 P 的 runq 中取出 Goroutine

• 作用：通过 m 可以找到当前正在运行的 Goroutine和工作线程的局部运行队列
• m 结构体：
  • m结构体用来代表工作线程，它保存了m自身使用的栈信息
  • m.p 可以访问处理器P，p.runq 就是 工作线程的局部运行队列
  • m.curg 可以找到当前运行的 Goroutine
  • m.g0 记录工作线程使用的栈起止位置

type m struct {
    g0        *g             // g0记录工作线程使用的栈信息
    tls       [6]uintptr     // 实现m结构体与工作线程绑定（存储每个线程独有的数据）
    curg      *g             // 指向工作线程正在运行的goroutine的g结构体对象
    p         puintptr       // 记录与当前工作线程绑定的p处理器结构体对象
    alllink   *m             // 记录所有工作线程的一个链表  
  
    nextp    puintptr
    oldp     puintptr 
    spinning      bool        // 标记当前 M 是否处于“空闲状态”
    blocked       bool        // 当前 M 是否处于阻塞状态
    park          note        // 没有goroutine需要运行时，工作线程睡眠在这个park成员上
    schedlink     muintptr
    thread        uintptr     // 存储了 M 对应的操作系统线程 ID
    freelink      *m          // 链接到空闲的 M 链表上，等待被再次利用
}

2）m 结构体字段详解

• 1）g0

  • 工作线程在执行调度器代码时需要一个栈，但这个栈不应该和正在执行的 Goroutine 的栈混用，因此需要一个专用的栈，即 g0
  • 执行用户代码时，工作线程切换到当前 Goroutine 的栈，调度代码会切换回 g0 的栈
  • 场景: 当 M 需要执行调度动作，比如切换 Goroutine 时，切换到 g0 栈执行这些任务

• 2）tls

  • tls 是线程局部存储（Thread-Local Storage），用于线程之间独立保存信息
  • 在 x86 架构下，这通过外部寄存器实现
  • TLS 的目的是在不干扰其它线程的情况下，存储每个线程独有的数据
  • 场景: 它绑定了工作线程和 M 结构体对象，并确保调度器能快速找到当前线程的调度状态

• 3）p

  • p 是指向与当前 M 绑定的 P 结构体的指针，一个 M 需要有一个 P 才能执行 Go 代码
  • P 代表“处理器”，是 Go 运行时调度器用来分配 Goroutine 的逻辑执行上下文
  • 每个 p 维护自己的本地运行队列（即存放 Goroutine 的队列），并负责调度本地的 Goroutine 给 m 执行
  • 场景: M 获取到 P 后，就可以从 P 的本地队列中取出待运行的 Goroutine，并开始执行

• 4）curg

  • curg 指向当前 M 正在运行的 Goroutine
  • 这是 M 的主要工作，从调度器获取 Goroutine 并执行它们，curg 记录了当前被执行的 Goroutine
  • 场景: M 执行的用户代码是通过 curg 对应的 Goroutine 运行的，调度器会不断切换 M 和不同的 G

• 5）alllink

  • alllink 是一个指针，连接到所有 M 的链表上
  • Go 运行时会维护一个所有 M 线程的链表，alllink 是链表中的一环
  • 场景: Go 运行时通过这个链表管理和跟踪所有的 M 实例

3、局部队列 P

• 局部队列：每个工作线程有自己的局部 Goroutine 队列，以减少对全局队列的锁竞争（就是上图的局部队列）

• 优先使用：工作线程首先操作自己的局部队列，只有在必要时才访问全局队列，提升并发性能

• 结构体位置：局部队列包含在 p 结构体中，每个工作线程都关联一个 p 结构体实例

type p struct {
    // 本地 Goroutine 运行队列
    runqhead uint32        // 队列头索引
    runqtail uint32        // 队列尾索引
    runq [256]guintptr     // 循环队列实现
  
    runnext guintptr       // 下一个待运行的 Goroutine
  
    lock mutex           // 用于保护 p 结构体的锁
    status uint32        // p 的状态，如空闲、运行中等
    link puintptr        // 链接到下一个 p 结构体的指针
    schedtick uint32     // 调度器调用次数计数器
    syscalltick uint32   // 系统调用次数计数器
    sysmontick sysmontick    // 系统监控的最后观察时间
    m muintptr               // 关联的工作线程（M），空闲时为 nil
    gFree struct {
        gList            // 已退出 Goroutine 的链表
        n int32          // 当前缓存的 Goroutine 数量
    }
}

4、全局队列 schedt

• 作用：存放所有可运行的 Goroutine 和调度器的状态信息

• 全局实例：每个 Go 程序中有一个全局 schedt 实例（就是上图中全局队列）

• 功能：它保存一个全局运行队列，所有工作线程都能访问并操作这个队列

type schedt struct {
    // Goroutine 全局运行队列
    runq gQueue         // 全局 Goroutine 运行队列
    runqsize int32      // 运行队列的大小

    midle muintptr      // 由空闲的工作线程组成链表
    nmidle int32         // 空闲工作线程数量
}

5、全局私有变量

allgs      []*g      // 全局数组，保存所有的g（Goroutine创建时加入到allgs中）
allm       *m        // 所有的m构成的一个链表，包括下面的m0
allp       []*p      // 保存所有的p处理器，len(allp) == gomaxprocs

ncpu       int32     // 系统中cpu核的数量，程序启动时由runtime代码初始化，决定 P 的数量
gomaxprocs int32     // p的最大值，默认等于ncpu，但可以通过GOMAXPROCS修改

sched      schedt    // 调度器结构体对象，记录了调度器的工作状态

m0         m         // 是主线程的 M 结构体，用于初始化调度器和运行时的其余部分
g0         g         // g0 负责执行与 Goroutine 调度相关的底层操作，例如切换上下文、栈切换等
                     // 每个 M 都有自己的 g0，专门用于调度工作，而不运行普通的用户代码

• 1）allgs []*g
  • allgs 是一个全局的 Goroutine 数组，保存了所有已经创建的 G 结构体
  • 当一个 Goroutine 被创建时，它的 g 结构体会被加入到 allgs 数组中，方便 Go 运行时追踪和管理所有的 Goroutine
  • 在垃圾回收（GC）过程中，调度器需要遍历所有的 G 以便正确处理 Goroutine 的栈和上下文信息
• 2）allm *m
  • allm 是一个链表，用于管理所有的 M 结构体（也就是所有的操作系统线程）
  • 每当一个新的操作系统线程（M）被创建时，它会被加入到 allm 链表中，方便调度器进行线程的追踪和管理
  • 当某个线程不再需要执行任务时，调度器可以通过 allm 链表复用这些线程，减少频繁创建和销毁线程的开销
• 3）allp []*p
  • allp 是一个保存所有 P 处理器的全局数组，P 是 Go 调度模型的核心
• 4）sched schedt
  • 它管理全局队列 schedt，即当 P 的本地队列满时，Goroutine 会溢出到全局队列
  • 当 P 的本地队列为空时，也可以从全局队列中获取 Goroutine 执行
• 5）m0 m
  • m0 是程序启动时由操作系统创建的第一个 M，是所有线程的起点，保存在全局变量中
  • m0 在完成初始化任务后与其他 M 没有区别，会参与正常的 Goroutine 调度和执行
• 6）g0 g
  • g0 是每个 M 都有的一个特殊 Goroutine，专门用于执行调度器的底层操作，而不执行用户代码
  • 每当 M 需要执行调度任务（例如从一个 G 切换到另一个 G）时，它会切换到 g0 的栈来执行这些底层任务
  • 避免在用户 Goroutine 的栈上进行调度操作，以防止混乱

6、g0

• g0 是一个特殊的 Goroutine，绑定在 m0 上

• 每个工作线程（M）都有一个专门用于调度的 Goroutine，称为 g0（g0 是在用户空间中运行的）

• g0 的作用是为 m0 提供调度环境，而不直接执行用户代码

• g0 负责处理调度器的任务，比如上下文切换、保存和恢复 M 的状态等

• 场景: 当 M 需要执行调度动作，比如切换 Goroutine 时，切换到 g0 栈执行这些任务

• 为什么需要g0?

  • 工作线程 (M) 不能继续在用户 Goroutine 的栈上执行调度器的逻辑，否则会导致混乱

• 切换 Goroutine 时g0上具体操作是什么？

  • 保存 Goroutine A 的上下文（寄存器状态、栈帧等）
  • 然后从 Goroutine B 的 g 结构体中恢复上下文

7、 m0

• m0 是 Go 程序启动时由操作系统创建的第一个主线程，它是程序执行的起点

  • 负责执行初始化操作（如堆的初始化、GMP 模型的初始化、创建 P、启动调度器等）

  • m0 负责启动 Go 程序，并调用 main.main() 函数

  • m0 还会负责其他一些系统级别的任务，如垃圾回收初始化、系统资源管理等（普通m不会做这些）

  • m0 不会被销毁，它作为主线程保持整个程序的生命周期，直到程序终止(其他m可销毁)

04.调度器执行

1、调度器启动

• 在 Go 程序启动时，调度器会通过 runtime.schedinit 函数进行初始化
• 主要就是 创建P处理器，并加入到 全局队列 allp 中

func schedinit() {
    _g_ := getg()              // 获取当前 Goroutine 的 g 结构体
    sched.maxmcount = 10000    // 设置最大线程数为 10000
    sched.lastpoll = uint64(nanotime())    // 获取当前时间戳，用于调度器的运行时记录
    procs := ncpu             // 默认使用系统 CPU 核数作为处理器数量

    if n, ok := atoi32(gogetenv("GOMAXPROCS")); ok && n > 0 {
        procs = n
    }                         // 如果环境变量 GOMAXPROCS 被设置且大于 0，则使用其值作为处理器数量
    if procresize(procs) != nil {
        throw("unknown runnable goroutine during bootstrap")
    }
}

• ① 处理器数量 allp 扩容

  • 如果 allp 切片中的处理器数量少于期望数量，会对 allp 进行扩容
  • 调度器会根据 CPU 核心数（或 GOMAXPROCS 的设置）扩容全局 allp 数组

• ② 创建新的 P 结构体 和 p本地队列

  • 使用 new 创建新的处理器结构体，并调用 runtime.p.init 初始化扩容的处理器
  • 处理器 P 是 Goroutine 调度的核心，每个 P 都维护自己的本地队列，用于存储待执行的 Goroutine

• ③ m0 和 allp[0] 绑定

  • 每个 P 都会通过 new 创建并初始化，其本地维护一个 Goroutine 队列（本地队列）
  • 这个本地队列就是上图中的局部p队列，用于存储待执行的 Goroutine

• ④ P 加入 全局空闲队列中

  • 将除 allp[0] 之外的处理器 P 全部设置为 _Pidle 状态，并加入到全局的空闲队列中
  • 当有新的 Goroutine 被创建或需要调度时，调度器可以从空闲队列中取出处理器，确保资源高效利用

2、M 和 G 的创建

1） m0

• m0 是 Go 程序启动时由操作系统创建的第一个主线程，它是程序执行的起点

  • 负责执行初始化操作（如堆的初始化、GMP 模型的初始化、创建 P、启动调度器等）

  • m0 负责启动 Go 程序，并调用 main.main() 函数

  • m0 还会负责其他一些系统级别的任务，如垃圾回收初始化、系统资源管理等（普通m不会做这些）

  • m0 不会被销毁，它作为主线程保持整个程序的生命周期，直到程序终止(其他m可销毁)

2）g0

• g0 是一个特殊的 Goroutine，绑定在 m0 上
  • 每个工作线程（M）都有一个专门用于调度的 Goroutine，称为 g0（g0 是在用户空间中运行的）
  • g0 主要作用是在 M 执行调度操作时提供栈空间，处理上下文切换，而不直接执行用户代码
  • 场景: 当 M 需要执行调度动作，比如切换 Goroutine 时，切换到 g0 栈执行这些任务
  • 为什么需要g0?
    • 工作线程 (M) 不能继续在用户 Goroutine 的栈上执行调度器的逻辑，否则会导致混乱
  • 切换 Goroutine 时g0上具体操作是什么？
    • 保存 Goroutine A 的上下文（寄存器状态、栈帧等
    • 然后从 Goroutine B 的 g 结构体中恢复上下文

3）allm 作用

• Go 运行时中，所有的 M（操作系统线程）通过 allm 链表管理
• 每当需要新的 M，调度器会复用空闲的 M 或创建新的 M，并加入到 allm 链表中
• allm 链表是 Go 调度器管理所有操作系统线程（M）的数据结构

3、Goroutine 创建

• ① 创建G结构体 加入P本地队列
  • 当调用 go func() 创建新的 Goroutine 时，调度器会首先为其创建一个新的 G 结构体实例
  • G 代表一个 Goroutine，包含其栈空间、寄存器状态及上下文信息
  • 新创建的 G 被放入 P 绑定的本地队列中，等待调度执行
• ② 调度器分配执行资源（M、P、G 绑定）
  • 一个活跃的 M 会从其绑定的P 的队列中取出 Goroutine 执行
  • 每个 P 绑定一个 M，当 M 执行完一个 Goroutine 时，会检查其本地队列是否还有未完成的任务
  • 如果有，会继续取出下一个 Goroutine 执行；如果没有，则可能 从其他 P 窃取 Goroutine 执行
• ③ 全局队列 schedt
  • 如果 P 的本地队列为空且未能从其他 P 中窃取到任务，则会从全局队列 schedt 中获取 Goroutine 执行
  • 全局队列用于存储从各 P 溢出的 Goroutine，确保负载均衡
• ④ M 的动态创建
  • 当所有 P 都在工作而任务仍然较多时，调度器会根据需要创建更多的 M，并将其绑定到空闲的 P 上
  • 这些 M 会通过 allm 链表管理，确保 Goroutine 调度的并发性
• ⑤ G 执行过程
  • 每个 G 都在其分配的栈上执行具体的任务
  • 当 G 执行结束或因阻塞（如 I/O）需要挂起时，调度器会通过 g0 的栈保存 G 的上下文信息，并切换到其他待执行的 G

4、调度源码

• 在 Go 源码中，Goroutine 的选择和调度主要发生在 runtime 包中
• 最核心的部分是 schedule() 函数，它是调度的主循环，用于选择下一个要运行的 Goroutine
• 以下是源码中调度器选择 Goroutine 的相关代码流程简化解释

// runtime/proc.go

func schedule() {
    _g_ := getg()  // 尝试从当前 `P` 的本地队列中获取一个待执行的 `G`

    // 循环查找下一个可运行的 Goroutine
    for {
        // 检查当前线程是否需要被抢占
        if _g_.m.spinning {
            // 如果 M 处于 spinning 状态，尝试窃取其他 P 的 Goroutine
            _g_.m.spinning = false
        }

        // 从本地 P 的队列中查找可运行的 G
        gp := runqget(_g_.m.p.ptr())
        if gp != nil {
            // 找到可运行的 G，准备执行
            execute(gp, false)
            continue
        }

        // 如果本地队列为空，尝试从全局队列或其他 P 窃取 Goroutine
        gp, inheritTime := findrunnable()
        if gp != nil {
            // 找到可运行的 G，执行
            execute(gp, inheritTime)
            continue
        }

        // 如果没有找到可运行的 G，当前 M 会被挂起，等待新的任务
        stopm()
    }
}

• ① runqget()：

  • 尝试从当前 P 的本地队列中获取一个待执行的 G
  • 如果本地队列中有 G，它将被返回并由当前 M 执行

• ② findrunnable()：

  • 如果本地队列中没有 G，则调用 findrunnable()，该函数会尝试通过以下几种方式找到下一个待执行的 G

  • 尝试从其他 P 的队列中窃取一个 G

  • 从全局队列 schedt 中获取一个待执行的 G

  • func findrunnable() (*g, bool) {
        // 窃取其他 P 的 G 或从全局队列获取 G
        gp := globrunqget(_g_.m.p.ptr(), false)
        if gp != nil {
            return gp, false
        }
        
        // 继续其他查找逻辑，比如 timer 或 network I/O
        // 略去其他部分...
    }
    

• ③ execute()：

  • 一旦找到了一个 G，调用 execute() 函数，开始运行该 G

  • func execute(gp *g, inheritTime bool) {
        // 设置当前的 Goroutine 为 gp 并开始执行
        _g_.m.curg = gp
        // 切换到目标 Goroutine 的上下文
        gogo(&gp.sched)
    }
    

5、举例分析

• 执行下面这段go代码时具体做了哪些操作

func main() {
    fmt.Println("Hello world")
}

• 1）创建m0和g0关联

  • 当 Go 程序启动时，Go 运行时首先会创建第一个操作系统线程（M0），并为该线程分配一个特殊的 Goroutine g0
    • m0 是主线程，它代表最初的操作系统线程，m0 会负责初始化调度器和垃圾回收等核心任务
    • g0 是一个特殊的 Goroutine，不运行用户代码，而是用于处理调度操作和栈切换
  • 通过m0.g0 的方式，将两者关联在一起

• 2）初始化P列表

  • 在程序启动的早期阶段，Go 运行时会初始化调度器，设置一些全局变量和数据结构
  • 创建对应数量的 P 处理器和p本地队列，并把 P 处理器存储到 allp 全局数组中

• 3）把main goroutine加入队列

  • 在程序启动时，Go 运行时会创建一个特殊的 main Goroutine，它对应 runtime.main 函数
  • 这个 G 结构体会加入到 P 的本地队列中, 等待调度器调度执行

• 4）P绑定m执行main goroutine

  • 在程序启动时，M0 会被绑定到一个 P
  • 调度器将 M0 和 P 绑定后，M0 会从 P 的本地队列中获取 main Goroutine，准备开始执行用户代码

• 5）g0设置运行环境

  • M0 执行调度操作时，会使用 g0 来进行上下文切换
  • 此时，g0 会负责设置运行环境，确保 M0 能正确切换到 main Goroutine 并执行用户代码。

• 6）M运行G

  • 当 M0 切换到 main Goroutine 时，M0 开始执行用户的 main.main 函数
  • 此时，用户代码中的 fmt.Println("Hello world") 会输出到标准输出
  • M0 执行 main Goroutine 的栈帧，直到 main.main 函数结束
  • runtime.main 的作用：
    • 在 main.main 函数执行完后，runtime.main 还负责一些资源清理操作，包括垃圾回收、Panic 处理和关闭程序

• 7）重复下去

  • 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