我是悠悠之家的博主 名字长了不好记,最近开发中收集的这篇文章主要介绍Golang并发模型GMP浅尝,觉得挺不错的,现在分享给大家,希望可以做个参考。

概述

从进程谈起

进程与线程的区别是什么?这是一个老生长谈的一道面试题。处于不同层面对该问题的理解也大不相同。对于用户层面来说,进程就是一块运行起来的程序,线程就是程序里的一些并发的功能。对于操作系统层面来说,标准回答是“进程是资源分配的最小单位,线程是cpu调度的最小单位”。接下来先从操作系统层面介绍一下进程与线程。


进程

在程序启动时,操作系统会给该程序分配一块内存空间,对于程序但看到的是一整块连续的内存空间,称为虚拟内存空间,落实到操作系统内核则是一块一块的内存碎片的东西。为的是节省内核空间,方便对内存管理。

就这片内存空间,又划分为用户空间与内核空间,用户空间只用于用户程序的执行,若要执行各种IO操作,就会通过系统调用等进入内核空间进行操作。每个进程都有自己的PID,可以通过ps命令查看某个进程的pid,进入/proc/可以查看该进程的详细信息,如cgroup,进程资源大小等信息。

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线程

线程是进程的一个执行单元,一个进程可以包含多个线程,只有拥有了线程的进程才会被CPU执行,所以一个进程最少拥有一个主线程。

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由于多个线程可以共享同一个进程的内存空间,线程的创建不需要额外的虚拟内存空间,线程之间的切换也就少了如进程切换的切换页表,切换虚拟地址空间此类的巨大开销。至于进程切换为什么较大,简单理解是因为进程切换要保存的现场太多如寄存器,栈,代码段,执行位置等,而线程切换只需要上下文切换,保存线程执行的上下文即可。线程的的切换只需要保存线程的执行现场(程序计数器等状态)保存在该线程的栈里,CPU把栈指针,指令寄存器的值指向下一个线程。相比之下线程更加轻量级。

可以说进程面向的主要内容是内存分配管理,而线程主要面向的CPU调度。


协程

虽然线程比进程要轻量级,但是每个线程依然占有1M左右的空间,在高并发场景下非常吃机器内存,比如构建一个http服务器,如果一个每来一次请求分配一个线程,请求数暴增容易OOM,而且线程切换的开销也是不可忽视的。同时,线程的创建与销毁同样是比较大的系统开销,因为是由内核来做的,解决方法也有,可以通过线程池或协程来解决。

协程是用户态的线程,比线程更加的轻量级,操作系统对其没有感知,之所以没有感知是由于协程处于线程的用户栈能感知的范围,是由用户创建的而非操作系统。

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如一个进程可拥有以有多个线程一样,一个线程也可以拥有多个协程。协程之于线程如同线程之于cpu,拥有自己的协程队列,每个协程拥有自己的栈空间,在协程切换时候只需要保存协程的上下文,开销要比内核态的线程切换要小很多。

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GMP模型



含义

Goroutine的并发编程模型基于GMP模型,简要解释一下GMP的含义:

G:表示goroutine,每个goroutine都有自己的栈空间,定时器,初始化的栈空间在2k左右,空间会随着需求增长。

M:抽象化代表内核线程,记录内核线程栈信息,当goroutine调度到线程时,使用该goroutine自己的栈信息。

P:代表调度器,负责调度goroutine,维护一个本地goroutine队列,M从P上获得goroutine并执行,同时还负责部分内存的管理。


模型

从大体看一下GMP模型。

M代表一个工作线程,在M上有一个P和G,P是绑定到M上的,G是通过P的调度获取的,在某一时刻,一个M上只有一个G(g0除外)。在P上拥有一个G队列,里面是已经就绪的G,是可以被调度到线程栈上执行的协程,称为运行队列。

接下来看一下程序中GMP的分布。

每个进程都有一个全局的G队列,也拥有P的本地执行队列,同时也有不在运行队列中的G。如正处于channel的阻塞状态的G,还有脱离P绑定在M的(系统调用)G,还有执行结束后进入P的gFree列表中的G等等,接下来列举一下常见的几种状态。


状态汇总

G状态

G的主要几种状态:

本文基于Go1.13,具体代码见(/src/runtime/runtime2.go)

_Gidle:刚刚被分配并且还没有被初始化,值为0,为创建goroutine后的默认值

_Grunnable: 没有执行代码,没有栈的所有权,存储在运行队列中,可能在某个P的本地队列或全局队列中(如上图)。

_Grunning: 正在执行代码的goroutine,拥有栈的所有权(如上图)。

_Gsyscall:正在执行系统调用,拥有栈的所有权,与P脱离,但是与某个M绑定,会在调用结束后被分配到运行队列(如上图)。

_Gwaiting:被阻塞的goroutine,阻塞在某个channel的发送或者接收队列(如上图)。

_Gdead: 当前goroutine未被使用,没有执行代码,可能有分配的栈,分布在空闲列表gFree,可能是一个刚刚初始化的goroutine,也可能是执行了goexit退出的goroutine(如上图)。

_Gcopystac:栈正在被拷贝,没有执行代码,不在运行队列上,执行权在

_Gscan : GC 正在扫描栈空间,没有执行代码,可以与其他状态同时存在

P的状态

_Pidle :处理器没有运行用户代码或者调度器,被空闲队列或者改变其状态的结构持有,运行队列为空

_Prunning :被线程 M 持有,并且正在执行用户代码或者调度器(如上图)

_Psyscall:没有执行用户代码,当前线程陷入系统调用(如上图)

_Pgcstop :被线程 M 持有,当前处理器由于垃圾回收被停止

_Pdead :当前处理器已经不被使用

M的状态

自旋线程:处于运行状态但是没有可执行goroutine的线程(如下图),数量最多为GOMAXPROC,若是数量大于GOMAXPROC就会进入休眠。

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非自旋线程:处于运行状态有可执行goroutine的线程。


调度场景

Channel阻塞:当goroutine读写channel发生阻塞时候,会调用gopark函数,该G会脱离当前的M与P,调度器会执行schedule函数调度新的G到当前M。可参考上一篇文章channel探秘。

系统调用:当某个G由于系统调用陷入内核态时,该P就会脱离当前的M,此时P会更新自己的状态为Psyscall,M与G互相绑定,进行系统调用。结束以后若该P状态还是Psyscall,则直接关联该M和G,否则使用闲置的处理器处理该G。

系统监控:当某个G在P上运行的时间超过10ms时候,或者P处于Psyscall状态过长等情况就会调用retake函数,触发新的调度。

主动让出:由于是协作式调度,该G会主动让出当前的P,更新状态为Grunnable,该P会调度队列中的G运行。


总结

Go语言中通过GMP模型实现了对CPU和内存的合理利用,使得用户在不用担心内存的情况下体验到线程的好处。虽说协程的空间很小,但是也需要关注一下协程的生命周期,防止过多的协程滞留造成OOM。最近遇到了线上的OOM问题,等待下期一起分析。

最后

以上就是悠悠之家博主 名字长了不好记为你收集整理的Golang并发模型GMP浅尝全部内容,希望文章能够帮你解决Golang并发模型GMP浅尝所遇到的程序开发问题。

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