Golang面试题四（GMP）

1.Goroutine 定义

2.GMP 指的是什么

3.GMP模型的简介

全局队列（Global Queue）

P的本地队列

P列表

M列表

4.有关P和M的个数问题

P的数量问题

M的数量问题

P和M何时会被创建

5.调度器P的设计策略

复⽤线程

work stealing机制

hand off机制

利⽤并⾏

抢占

全局G队列

6.“go func()” 经历了什么过程

7.调度器的生命周期

8.可视化GMP编程

1.Goroutine 定义

定义： Goroutine 是 Go 语言运行时系统（Runtime）管理的用户级线程（User-Level Thread），是一种可以在单个进程中并发执行的执行单元。每个 Goroutine 代表了一个独立的函数调用，可以在程序中并行地执行任务，而无需操作系统层面的线程（OS Thread）支持。

关键特性：

轻量级：相较于操作系统原生线程，Goroutine 的创建、销毁和上下文切换（Context Switching）成本极低，使得开发者可以轻松地在程序中创建大量并发任务，实现高并发处理。
协程：Goroutines 之间通过协作而非抢占式调度进行切换，这意味着一个 Goroutine 只有在主动放弃 CPU 时间片（如调用系统调用、阻塞在 I/O 操作或显式调用 sync 包中的同步原语）时，运行时才会调度其他等待的 Goroutine 执行。这种非抢占式的调度有助于减少线程上下文切换的开销。
Go 语言原生支持：在 Go 语言中，启动一个新的 Goroutine 非常简单，只需在函数调用前加上关键字 go，如 go someFunction()。编译器会负责将此函数封装为一个可以并发执行的 Goroutine。
调度器：Go 语言的运行时系统内置了一个高效的调度器（Scheduler），负责管理和调度所有 Goroutines 的执行。调度器可以根据系统资源（如 CPU 核心数）和 Goroutines 的运行状态动态调整其调度策略，确保并发任务高效、公平地执行。
通信代替共享内存：Go 语言鼓励通过 channels（通道）进行 Goroutines 之间的通信和同步，遵循“不要通过共享内存来通信，而应通过通信来共享内存”的原则，避免了传统并发编程中常见的数据竞争和竞态条件问题。
栈动态增长：每个 Goroutine 初始时分配一个小栈（通常为几 KB），随着函数调用深度的增加，栈空间不足时会自动增长（可达几 MB），避免了预估栈大小的难题，同时也减少了内存浪费。

综上所述，Goroutine 是 Go 语言中实现并发编程的关键特性，它是一种轻量级、协程化的执行单元，由 Go 语言运行时系统原生支持并高效调度。通过 Goroutines，开发者可以方便、高效地编写并发程序，利用多核处理器能力，同时借助 channels 和其他同步原语确保数据安全和正确性。

2.GMP 指的是什么

G（ Goroutine）：我们所说的协程，为用户级的轻量级线程，每个Goroutine对象中的sched保存着其上下文信息。
M（ Machine）：对内核级线程的封装，数量对应真实的 CPU 数（真正干活的对象）。
P（ Processor）：即为 G 和 M 的调度对象，用来调度 G 和 M 之间的关联关系，其数量可通过 GOMAXPROCS()来设置，默认为核心数。

3.GMP模型的简介

在Go中，线程是运行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列表

当前操作系统分配到当前Go程序的内核线程数
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。

4.有关P和M的个数问题

P的数量问题

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的数量问题

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

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。
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。

5.调度器P的设计策略

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

当本线程⽆可运⾏的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，线程释放绑定的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个线程分布在多个CPU上同时运行。
GOMAXPROCS也限制了并发的程度，比如GOMAXPROCS = 核数/2，则最多利用了一半的CPU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，当P的本地队列为空时，优先从全局队列获取，如果全局队列为空时则通过work stealing机制从其他P的本地队列偷取G。

6.“go func()” 经历了什么过程

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。

7.调度器的生命周期

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

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")
}

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结束而结束。