[译]Go 调度器: M, P 和 G

这是另一篇关于Go调度器(scheduler)的文章。 原文: GO SCHEDULER: MS, PS & GS by Uber工程师 Povilas。

网上已经有很多关于Go调度器的文章了, 比如Golang调度器源码分析,多看一些,可以加深记忆,也可以对比查看文章中是否有不准确的地方,更全面的了解Go的调度器。

我决定深入了解Go的内部机制, 因为很长时间没人写关于Go scheduler的文章了, 我觉得这是一个很有趣的知识点,所以让我们开始吧。

基础知识

Go的运行时管理着调度、垃圾回收以及goroutine的运行环境。本文只关注于调度器。

运行时负责运行goroutine并把它们影射到操作系统的线程上。goroutine比线程还轻量, 启动的时候花费很少。每个goroutine都是由一个G结构来表示,
这个结构体的字段用来跟踪此goroutine的栈(stack)和状态,所以你可以认为G = goroutine

运行时管理着G并把它们映射到Logical Processor(称之为P). P可以看作是一个抽象的资源或者一个上下文,它需要获取以便操作系统线程(称之为M)可以运行G

通过runtime.GOMAXPROCS (numLogicalProcessors)可以控制多少P可以获取。如果你需要调整这个参数(大部分情况下你无需调整), 只设置一次, 因为它需要 STW gc pause。

本质上,操作系统运行线程,线程运行你的代码。Go的技巧是编译器会在Go运行时的一些地方插入系统调用, (比如通过channel发送值,调用runtime包等),所以Go可以通知调度器执行特定的操作。

上图的理解来自 Analysis of the Go runtime scheduler

M、P 和 G 之间的交互

MPG之间的交互有点复杂。看看下面这张来自 Gao Chao的go runtime scheduler 幻灯片中的一张图:

可以看到,Go运行时存在两种类型的queue: 一种是一个全局的queue(在schedt结构体中,很少用到), 一种是每个P都维护自己的G的queue。

为了运行goroutine, M需要持有上下文PM会从P的queue弹出一个goroutine并执行。

当你创建一个新的goroutine的时候(go func()方法),它会被放入P的queue。当然还有一个 work-stealing调度算法,当M执行了一些G后,如果它的queue为空,它会随机的选择另外一个P,从它的queue中取走一半的G到自己的queue中执行。(偷!)

当你的goroutine执行阻塞的系统调用的时候(syscall),阻塞的系统调用会中断(intercepted),如果当前有一些G在执行,运行时会把这个线程从P中摘除(detach),然后再创建一个新的操作系统的线程(如果没有空闲的线程可用的话)来服务于这个P

当系统调用继续的时候,这个goroutine被放入到本地运行queue,线程会park它自己(休眠), 加入到空闲线程中。

如果一个goroutine执行网络调用,运行时会做类似的动作。调用会被中断,但是由于Go使用集成的network poller,它有自己的线程,所以还给它。

Go运行时会在下面的goroutine被阻塞的情况下运行另外一个goroutine:

- blocking syscall (for example opening a file),
- network input,
- channel operations,
- primitives in the sync package.

调度器跟踪调试

Go可以跟踪运行时的调度器,这是通过 GODEBUG 环境变量实现的:

1
$ GODEBUG=scheddetail=1,schedtrace=1000 ./program

下面是输出的例子:

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
SCHED 0ms: gomaxprocs=8 idleprocs=7 threads=2 spinningthreads=0 idlethreads=0 runqueue=0 gcwaiting=0 nmidlelocked=0 stopwait=0 sysmonwait=0
P0: status=1 schedtick=0 syscalltick=0 m=0 runqsize=0 gfreecnt=0
P1: status=0 schedtick=0 syscalltick=0 m=-1 runqsize=0 gfreecnt=0
P2: status=0 schedtick=0 syscalltick=0 m=-1 runqsize=0 gfreecnt=0
P3: status=0 schedtick=0 syscalltick=0 m=-1 runqsize=0 gfreecnt=0
P4: status=0 schedtick=0 syscalltick=0 m=-1 runqsize=0 gfreecnt=0
P5: status=0 schedtick=0 syscalltick=0 m=-1 runqsize=0 gfreecnt=0
P6: status=0 schedtick=0 syscalltick=0 m=-1 runqsize=0 gfreecnt=0
P7: status=0 schedtick=0 syscalltick=0 m=-1 runqsize=0 gfreecnt=0
M1: p=-1 curg=-1 mallocing=0 throwing=0 preemptoff= locks=1 dying=0 helpgc=0 spinning=false blocked=false lockedg=-1
M0: p=0 curg=1 mallocing=0 throwing=0 preemptoff= locks=1 dying=0 helpgc=0 spinning=false blocked=false lockedg=1
G1: status=8() m=0 lockedm=0

注意输出使用了 GMP的概念以及她们的状态, 比如P的queue的大小。 如果你不想关心这些细节,你可以使用:

1
$ GODEBUG=schedtrace=1000 ./program

William Kennedy写了一篇很好的文章, 解释了这些细节。

当然,还有一个go自己的工具 go tool trace, 它有一个UI, 允许你查看你的程序和运行时的状况。你可以阅读这篇文章: Pusher

参考文档

  1. Slides by Matthew Dale
  2. Columbia University paper: Analysis of the Go runtime scheduler
  3. Scalable Go Scheduler Design Doc
  4. Hacker news chat which explains a lot
  5. go runtime scheduler slides by Gao Chao
  6. Morsmachine article
评论