Golang并发编程之GMP模型详解

0. 简介

传统的并发编程模型是基于线程和共享内存的同步访问控制的，共享数据受锁的保护，线程将争夺这些锁以访问数据。通常而言，使用线程安全的数据结构会使得这更加容易。Go的并发原语（goroutine和channel）提供了一种优雅的方式来构建并发模型。Go鼓励在goroutine之间使用channel来传递数据，而不是显式地使用锁来限制对共享数据的访问。

Do not communicate by sharing memory; instead, share memory by communicating.

这就是Go的并发哲学，它依赖CSP(Communicating Sequential Processes)模型，它经常被认为是 Go 在并发编程上成功的关键因素。

本文将介绍Go并发编发编程的的第一个议题：goroutine的实现及其调度原理。

1. 进程、线程和协程

进程，是一段程序的执行过程，是指令、数据及其组织形式的描述，进程是正在执行的程序的实例。进程拥有自己的独立空间。

传统的操作系统中，每个进程有一个地址空间和至少一个控制线程，这几乎可以认为是进程的定义。而这个地址空间中，可以存在多个控制线程的情形，这些线程可以理解为轻量级的进程，除了他们共享地址空间。多线程有以下好处：

在许多应用中同时发生着多种活动，其中某些活动会被阻塞，比如I/O操作，而某些程序则需要响应迅速，比如界面请求，因此多线程的程序设计模型会变得更简单；
线程比进程更加轻量级，所以其创建、销毁和上下文切换都更快；
在多CPU的系统中，多线程可以实现真正的并行。

在操作系统中，进程是操作系统资源分配的单位；线程是处理器调度和执行的基本单位。

Linux中的进程和线程

在Linux中，所有的线程都当做进程来实现，二者的区别在于：进程拥有自己的页表（即地址空间），而线程没有，只能和同一进程内的其他线程共享同一份页表。这个区别的根本原因在于二者调用系统时的传参不同而已。

在Linux2.3.3开始，glibc的fork()函数创建进程时是调用系统调用clone(2)时指定flags为SIGCHLD（共享信号句柄表）。而pthread_create创建线程时，内部也是调用clone函数，其指定的flags如下：

const int clone_flags = (CLONE_VM | CLONE_FS | CLONE_FILES | CLONE_SYSVSEM
                            | CLONE_SIGHAND | CLONE_THREAD 
                            | CLONE_SETTLS | CLONE_PARENT_SETTID 
                            | CLONE_CHILD_CLEARTID 
                            | 0);

clone的函数形式如下：

int clone(int (* fn )(void *), void * stack , int flags , void * arg , ...
                 /* pid_t * parent_tid , void * tls , pid_t * child_tid */ );

其实Docker底层实现隔离技术，也利用了clone函数这一系统调用。

1.1 线程模型

线程可以分为内核线程和用户线程，用户线程必须依托于内核线程，实现调度，这样就带来了三种线程模型：多对一（M:1）、一对一（1:1）和多对多（M:N）（用户线程对内核线程）。一个用户线程必须绑定一个内核线程才能执行，不过CPU并不知道有用户线程的存在。

1.1.1 多对一用户级线程模型

这种模型是多个用户线程对应一个内核调度线程，所有的线程的创建、销毁和调度都由用户空间的线程库实现，内核不感知这些线程的切换。优点是线程的上下文切换之间不需要陷入内核，速度快。缺点是一旦有一个用户线程有阻塞性的系统调用，比如I/O操作时，系统内核接管后，会阻塞所有的线程。另外，在多处理器的机器上，这种线程模型是没有意义的，无法发挥多核系统的优势。

1.1.2 一对一内核级线程模型

一对一模型中，每个用户线程拥有一个对应的内核调度线程，也就是说，内核会对每个线程进行调度。也因此，线程的创建、销毁和上下文切换，都会陷入到内核态。目前，Linux采用的NPTL(Native POSIX Threads Library)的线程模型就是一对一模型。比如以下例子：

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <pthread.h>

void *f(void *arg){
    if (!arg) {
        printf("arg is NULL\n");
    } else {
        printf("%s\n", (char *)arg);
    }

    sleep(100);
    return NULL;
}

int main() {
    pthread_t p1, p2;
    int res;
    char *p2String = "I am p2!";

    // 创建p1线程
    res = pthread_create(&p1, NULL, f, NULL);
    if (res != 0) {
        printf("创建线程1失败！\n");
        return 0;
    }
    printf("创建线程1\n");
    sleep(5);

    // 创建p1线程
    res = pthread_create(&p2, NULL, f, (void *)p2String);
    if (res != 0) {
        printf("创建线程2失败！\n");
        return 0;
    }
    printf("创建线程2\n");
    sleep(100);

    return 0;
}

在程序中，我们创建了两个线程，执行如下：

$ gcc thread.c -o thread_c -lpthread

$ ./thread_c

创建线程1

arg is NULL

创建线程2

I am p2!

然后查看进程号和此进程下的线程数。

$ ps -ef | grep thread_c

chenyig+ 5293 5087 0 19:02 pts/0 00:00:00 ./thread_c

chenyig+ 5459 5347 0 19:03 pts/1 00:00:00 grep --color=auto thread_c

$ cat /proc/5293/status | grep Threads

Threads: 3

之所以线程数是3，是因为系统启动进程的时候就自带一个线程，再加上创建的两个线程，所以总数是3，这也证明了Linux的线程模型是1:1的。

1.1.3 多对多两级线程模型

在多对多模型中，结合了1:1模型和M:1模型的优点，避免了他们的缺点。每个用户线程拥有多个内核调度线程，也可以多个用户线程对应一个调度实体。缺点是线程的调度需要内核态和用户态一起实现，导致模型实现十分复杂。NPTL也曾考虑过使用该模型，但是实现太过复杂，需要对内核进行大范围的改动，所以还是采用了1:1模型。现阶段，Go中的协程goroutine就是采用该模型实现的。

package main

import (
   "fmt"
   "sync"
   "time"
)

func f(i int) {
   fmt.Printf("I am goroutine %d\n", i)
   time.Sleep(100 * time.Second)
}

func main() {
   wg := sync.WaitGroup{}
   for i := 0; i < 100; i++ {
      idx := i
      wg.Add(1)
      go func() {
         defer wg.Done()
         f(idx)
      }()
   }
   wg.Wait()
}

运行后：

$ go build -o thread_go goroutine.go

$ ./thread_go

I am goroutine 7

I am goroutine 4

I am goroutine 0

I am goroutine 6

I am goroutine 1

I am goroutine 2

I am goroutine 9

I am goroutine 3

I am goroutine 5

I am goroutine 8

然后查看进程号和此进程下的线程数。

$ ps -ef | grep thread_go

chenyig+ 69705 67603 0 17:17 pts/0 00:00:00 ./thread_go

chenyig+ 69735 68420 0 17:17 pts/2 00:00:00 grep --color=auto thread_go

$ cat /proc/69705/status | grep Threads

Threads: 5

可以看到，用户线程（goroutine）和内核线程并不是一一对应的，而是多对多的情形。

2. GMP模型

Go在2012年正式引入GMP模型，然后在1.2版本中引入了协作式的抢占式调度，在1.14版本中实现了基于信号的抢占式调度，并一直沿用至今。

GMP模型中：

G：取Goroutine的首字母，即用户态的线程，也叫协程；
M：取Machine的首字母，和内核线程一一对应，为简单理解，我们可以认为其就是内核线程；
P：取Processor的首字母，表示处理器（可以理解成用户态的协程调度器），是G和M之间的中间层，负责协程调度。

2.1 G

Goroutine是Go语言调度器中执行的任务实体，其在runtime调度器中的地位与线程在操作系统中的差不多。作为更细粒度的资源调度单元，和线程相比，其占用更小的内存和更低的上下文切换开销。

Goroutine在运行时的结构体是runtime.g，其结构非常复杂，我们挑选一些重要的字段进行介绍。

type g struct {
   // Stack parameters.
   // stack describes the actual stack memory: [stack.lo, stack.hi).
   // stackguard0 is the stack pointer compared in the Go stack growth prologue.
   // It is stack.lo+StackGuard normally, but can be StackPreempt to trigger a preemption.
   // stackguard1 is the stack pointer compared in the C stack growth prologue.
   // It is stack.lo+StackGuard on g0 and gsignal stacks.
   // It is ~0 on other goroutine stacks, to trigger a call to morestackc (and crash).
   stack       stack   // offset known to runtime/cgo
   stackguard0 uintptr // offset known to liblink
   stackguard1 uintptr // offset known to liblink
   ...
}

以上是和Go运行时栈相关的字段，其中stack结构体如下，只有栈顶和栈底的地址。stackguard0是运行用户协程g的执行栈（go栈）扩张或者收缩的检查的抢占标记。而stackguard1是用于g0和gsignal（这二者后面会介绍）的内核栈（C栈）的扩张或者收缩的检查的抢占标记。

// Stack describes a Go execution stack.
// The bounds of the stack are exactly [lo, hi),
// with no implicit data structures on either side.
type stack struct {
   lo uintptr
   hi uintptr
}

另外，还有以下三个字段和抢占息息相关。

type g struct {
   ...
   preempt       bool // preemption signal, duplicates stackguard0 = stackpreempt
   preemptStop   bool // transition to _Gpreempted on preemption; otherwise, just deschedule
   preemptShrink bool // shrink stack at synchronous safe point
   ...
}

此外，以下字段中，m表示当前协程占用的线程，可能为空。

type g struct {
   ...
   m         *m      // current m; offset known to arm liblink
   sched     gobuf
   ...
}

而sched字段存储了Goroutine调度相关的数据，如下。

type gobuf struct {
   // The offsets of sp, pc, and g are known to (hard-coded in) libmach.
   //
   // ctxt is unusual with respect to GC: it may be a
   // heap-allocated funcval, so GC needs to track it, but it
   // needs to be set and cleared from assembly, where it's
   // difficult to have write barriers. However, ctxt is really a
   // saved, live register, and we only ever exchange it between
   // the real register and the gobuf. Hence, we treat it as a
   // root during stack scanning, which means assembly that saves
   // and restores it doesn't need write barriers. It's still
   // typed as a pointer so that any other writes from Go get
   // write barriers.
   sp   uintptr
   pc   uintptr
   g    guintptr
   ctxt unsafe.Pointer
   ret  uintptr
   lr   uintptr
   bp   uintptr // for framepointer-enabled architectures
}

其中：

sp：栈顶指针；
pc：程序计数器；
ctxt：函数闭包的上下文信息，即DX寄存器；
bp：栈底指针；

可以看到，goroutine的上下文切换需要保留的寄存器很少，无需保留其他的通用寄存器，至于为啥无需保留，我们留待后续解释。

2.2 M

M表示操作系统的线程，Go语言使用私有结构体runtime.m表示操作系统线程，和runtime.g一样，这个结构体包含了几十个字段，我们也只挑选一些和我们了解其运行机制的介绍。

type m struct {
   g0      *g     // goroutine with scheduling stack
   ...
   curg          *g       // current running goroutine
   ...
}

其中，g0是持有调度栈的goroutine，curg是当前线程上运行的用户goroutine。g0比较特殊，其会深度参与运行时的调度过程，包括goroutine的创建、大内存分配和CGO函数的执行。

另外，在runtime.m中，还有三个与处理器P相关的字段：p、nextp和oldp。另外还是tls字段，通过tls实现m结构体对象与工作线程之间的绑定。

type m struct {
   ...
   p             puintptr // attached p for executing go code (nil if not executing go code)
   nextp         puintptr
   oldp          puintptr // the p that was attached before executing a syscall
   ...
   tls           [tlsSlots]uintptr // thread-local storage (for x86 extern register)
   ...
}

2.3 P

处理器P是线程M和协程G之间的中间层，它能提供线程需要的上下文换环境，也负责调度线程上的等待队列，通过处理器P的调度，每一个内核线程都能执行多个goroutine，且在goroutine陷入系统调用的时候及时让出计算资源，提高线程的利用率。

因为调度器在启动时就会创建GOMAXPROCS个处理器，所以Go语言程序的处理器数量一定会等于GOMAXPROCS，这些处理器会绑定到不同的内核线程上。

type p struct {
   ...
   m           muintptr   // back-link to associated m (nil if idle)
   ...
   // Queue of runnable goroutines. Accessed without lock.
   runqhead uint32
   runqtail uint32
   runq     [256]guintptr
   
   runnext guintptr
   ...
}

以上，runtime.p表示P的私有结构，m表示其绑定的线程。runq表示其持有的运行goroutine队列，最大256，runnext表示下一个要执行的goroutine。

以上是GMP中协程G、线程M和处理器P的私有结构简介，下面将介绍Go语言调度器的实现。

3. 基础调度过程

上图简单描述了GMP模型的工作原理，在用户态，处理器P将自身的运行队列中的G交付给线程M执行，通过用户态的调度，实现goroutine之间的调度，每次切换耗费的时间约为~0.2us，低于线程上下文切换的~1us；且每次goroutine的创建，开辟的栈大小为2KB，而线程的创建，都会占用1M以上的内存空间。所以说，无论是在时间上还是空间上，用户态的goroutine的实现都比内核线程的实现要轻量的多。

在图中，深色G表示线程M正在执行的goroutine，而队列中的浅色G则表示等待执行的goroutine队列。而P的个数一般设置为CPU的核数，当然用户可以通过runtime.GOMAXPROCS函数进行设置。而M的个数不一定，当在M上执行的G陷入内核调用而阻塞时，调度器会解绑P和M，优先在空闲M队列中找到一个M进行执行，如果没有空闲M，则创建一个新的M执行剩余队列中的G，充分利用CPU的资源，所以说M的个数不一定。