Go runtime：带你了解 Go 语言的 GMP 模型与 goroutine 调度

作者：董哥的黑板报

2022 年 9 月 30 日
上海
本文字数：2536 字
阅读完需：约 8 分钟

一、什么是 Goroutine？

A goroutine is a lightweight thread managed by the Go runtime.

以上是对 goroutine 的定义，翻译过来就是：goroutine 为 Go runtime 管理的轻量级线程。

轻量级线程，其实也就是协程（Coroutine）。协程与线程最大的区别就在于：

线程是操作系统级别的概念，真实地运行在物理处理器上。
协程是软件层面的概念，由 Go，Java 编程语言自己实现。在 Go 中，goroutine 就由 go runtime 来管理。

goroutine 与线程的区别

内存占用：

线程：Go 创建的 Goroutine 默认栈大小只有 2KB，并且随着程序的运行会进行动态的栈扩容与栈缩容。
Goroutine：线程创建时，栈大小大致为 1-8MB（依操作系统而定）。

创建/销毁开销：

线程：线程的创建与销毁是硬件级别的，需要涉及到内核态与用户态的转换。
Goroutine：Goroutine 的创建与销毁由 Go runtime 来保证，一切都在用户态完成，消耗更低。

调度开销（上下文切换）：

线程：线程的调度涉及到上下文切换，上下文切换需要消耗 CPU 处理器大概 1000-1500 纳秒。
Goroutine：Goroutine 的调度由 GMP 模型（下面介绍）决定，在底层不一定涉及到物理层面的上下文切换，消耗更低。

复杂性：

线程：线程的管理复杂，也容易增加编程的复杂度。
Goroutine：Goroutine 是轻量级的线程，在 Go 中创建成千上万的 Goroutine 都不是问题。

M:N 模型

说 goroutine 和 GMP，有一个模型需要介绍一下，就是 M:N 调度模型。

Go runtime 会负责 goroutine 的生命周期，Go runtime 在运行的时候会创建 M 个系统线程（OS thread）来运行 N 个 goroutine。

M:N 模型的一句话总结：使用 M 个系统线程来运行 N 个 goroutine。

二、GMP 模型初识

对于 GMP，每一个都是核心概念，我们单独介绍。

P：逻辑处理器

在 Go 程序启动之后，Go runtime 会帮你在程序中启动一批逻辑处理器。

逻辑处理器，按照字面意思，就是虚拟的 CPU Core，并不是真实的物理 CPU，供 Go runtime 来运行程序的。

GOMAXPROCS：

默认情况下，P 的数量与物理 CPU 的数量保持一致，当然，你也可以通过 runtime.GOMAXPROCS 或者 GOMAXPROCS 环境变量来设置 P 的数量。
备注：GOMAXPROCS 最大值为 256。

好了，下面写个程序来带你体验一下：

package main
import (	"fmt"	"runtime")
func main() {    // NumCPU returns the number of logical    // CPUs usable by the current process.    fmt.Println(runtime.NumCPU())}

复制代码

上述程序，可以打印出 Go runtime 为你启动的虚拟 CPU Core 的数量。

以我的 MacBook 为例，运行结果如下：

// 环境：macbook
// 查看物理核数sysctl -n machdep.cpu.core_count// 查看逻辑核数sysctl -n machdep.cpu.thread_count// 运行上述Go程序go run main.go

复制代码

可以看到，Go runtime 为我启动了 8 个 P 来运行我的 Go 语言程序。

M：系统线程

在上面我们介绍了 M:N 模型，提到过，Goroutine 最终会运行系统线程（OS thread）上。

没错，M 对应的就是系统线程。是真正意义上创建的线程，要运行在物理 CPU 上的。P 会挑选出 G，然后将 G 与 M 绑定在一起，让 G 得到真正的运行。

它跟我们在 Java，C 中的线程的概念是一样的。

G：Goroutine

Goroutine 就是协程，是应用级别的线程，上面我们介绍了，就不必过多介绍了。

G 会与 M 绑定进行运行，这个操作由 P 完成。

GMP 模型总览

介绍了 GMP 各自的概念，我们先总览一下 GMP 模型（图中有一些概念还没介绍到，先继续看文章）：

P：虚拟的 CPU Core，下图中包含 2 个。
M：系统线程，用来真正运行 Goroutine 的。
G：Goroutine。

三、GRQ 与 LRQ

在 GMP 模型中，还有 2 个核心的队列需要介绍一下：

全局队列（Global Run Queue, 简称 GRQ）：保存着还没有被分配到 P 的 Goroutine，会有逻辑将 Goroutine 从 GRQ 移动到 LRQ 上。
本地队列（Local Run Queue，简称 LRQ）：LRQ 保存着分配到 P 上的 Goroutine，其会被绑定到 M 上进行执行。