Golang 协程与调度器原理 golang

思考从容器上该如何设置 GOMAXPROCS 大小引发，这个数字设置多少合理，其到底限制了什么，cpu 核数，系统线程数还是协程数？

背景 Go 语言可以说为并发而生。Go 从语言级别支持并发，通过轻量级协程 Goroutine 来实现程序并发运行，go关键字的强大与简洁是其它语言不可及的，接下来让我们一起来探索 Golang 中 Goroutine 与协程调度器设计的一些原理吧。
Go 协程概念
进程: 操作系统分配系统资源（cpu 时间片，内存等）的最小单位
线程：轻量级进程，是操作系统调度的最小单位
协程：轻量级线程，协程的调度由程序控制
怎么理解
进程，线程的两个最小单位如何理解？在早期面向进程设计的计算机结构中，进程就是操作系统分配系统资源与操作系统调度的最小单位
但在现代的计算结构中，进程升级为线程的容器，多个线程共享一个进程内的系统资源，cpu 执行（调度）对象是线程
轻量级进程与轻量级线程如何理解轻量级进程：如下图各个进程拥有独立的虚拟内存空间，里面的资源包括栈，代码，数据，堆... 而线程拥有独立的栈，但是共享进程全部的资源。在 linux 的实现中，进程与线程的底层数据结构是一致的，只是同一进程下线程会共享资源。

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轻量级线程：线程栈大小固定 8 M，协程栈：2 KB ，动态增长。一对线程里对应多个协程，可以减少线程的数量

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协程相对线程有什么优势

轻量级（MB vs KB）
切换代价低（调度由程序控制，不需要进入内核空间。需要保存上下文一般少一些）
切换频率低，协程协作式调度，线程调度由操作系统控制，需要保证公平性，当线程数量一多，切换频率相对比较高

协程调度器在 Golang 中，goroutine 调度是由 Golang 运行时（runtime）负责的，不需要程序员编写代码时关注协程的调度。
GM 模型
goroutine 的调度其实是一个生产者-消费者模型。
生产者：程序起 goroutine（G）
消费者：系统线程（M）去消费（执行）goroutine
自然的，在生产者与消费者中间还需要有一个队列来暂存没有消费过的 goroutine。在 Go 1.1 版本，用的就是这种模型。

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GM 模型问题

M 是并发的，每次访问这个全局队列需要全局锁，锁竞争比较严重
忽略了 G 之间的关系，例如，M1 执行 G1 时，G1 创建了 G2，为了执行 G2 很有可能放到 M2 中执行。而 G1，G2 是相关的，缓存大概率是比较接近的，这样会导致性能下降
每一个 M 都分配一块缓存 MCache，比较浪费

GOMAXPROCS：在这个版本代表了最多同时支持 GOMAXPROCS 个活跃的线程。
GMP 模型

G：go 协程
M：系统线程
P：逻辑处理器，负责提供相关的上下文环境，内存缓存的管理， Goroutine任务队列等

上述的 GM 模型性能问题比较严重，于是如下图所示， Go 将一个全局队列拆成了多个本地队列，这个管理本地队列的结构被称作 P。

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P 结构特点

M 通过 P 取 G 时，并发访问大大降低，本地队列不需要全局锁了。
每个 P 的本地 G 队列长度限定在 256，而 goroutine 的数量是不定的，因此 Go 还保留了一个无限长度的全局队列。
本地队列数据结构是数组，全局队列数据结构是链表
P 中除了本地队列，还加了一个 runnext 的结构，为了优先执行刚创建的 goroutine
MCache 从 M 移到了P
通过设置 GOMAXPROCS 控制 P 的数量

M 的消费逻辑（获取G）

先从绑定的 P 本地队列（优先 runnext）获取 G
定期从全局队列中获取 G：每执行 61 次调度会看一下全部队列（保证公平），并且在这个过程会把全局队列中 G 分给各个 P
work stealing，若全局队列没有 G，则随机选择一个 P 偷一半的任务过来，若没有任务可偷，线程休眠。偷任务会导致并发访问本地队列，因此操作本地队列需要加自旋锁

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G 的生产逻辑

使用 go func, 产生了一个 G 结构体，会优先选择放在当前 P 的 runnext
若 runnext 满了，把当前 runnext 里的 goroutine 踢出，放在本地队列尾，再把当前 gorouine 放入 runnext
若本地队列也满了，把本地队列的一半的 G 与被踢出 runnext 的 G，放到全局队列中

引入 P 解决的问题

全局锁，P 中的协程是串行的
数据局部性，G 创建时优先在 P 的本地队列，M 获取可用 P 时，优先之前绑定的 P
内存消耗问题，多个线程共用 MCache

【Golang 协程与调度器原理】回到最开始的思考，容器上的 GOMAXPROCS 设置问题。GOMAXPROCS 代表着 P 的数量，也即代表着运行go 代码的最大线程数，默认为 CPU 的核数，有利于减少线程数量进而减少线程切换，但在容器中，不应该使用物理机的实际核数，应修改为容器限制的核数。
参考