Go 语言的调度器 (scheduler) 的原理是什么?

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Go 语言的调度器(scheduler)是 Go 运行时系统的一部分,负责管理和调度 Goroutine 的执行。Go 调度器的核心原理是基于 M:N 调度模型,即将 M 个 Goroutine 调度到 N 个操作系统线程上执行。Go 调度器的主要目标是高效地利用多核 CPU,并且尽可能地减少 Goroutine 的上下文切换开销。

Go 调度器的核心组件包括:

  • G (Goroutine):表示一个 Go 协程,是 Go 语言中的轻量级线程。
  • M (Machine):表示一个操作系统线程,负责执行 Goroutine。
  • P (Processor):表示一个逻辑处理器,负责管理 Goroutine 的队列和调度。

调度器的工作原理如下:

  1. Goroutine 的创建:当一个 Goroutine 被创建时,它会被放入当前 P 的本地队列中。
  2. Goroutine 的调度:调度器会从 P 的本地队列中取出 Goroutine,并将其分配给一个 M 执行。如果本地队列为空,调度器会尝试从全局队列或其他 P 的队列中窃取 Goroutine。
  3. 系统调用和阻塞:当一个 Goroutine 执行系统调用或阻塞时,调度器会将当前的 M 与 P 分离,并将 P 分配给其他空闲的 M 继续执行其他 Goroutine。
  4. 抢占式调度:Go 调度器支持抢占式调度,确保长时间运行的 Goroutine 不会独占 CPU 资源。调度器会定期检查 Goroutine 的执行时间,并在必要时进行抢占。

本题详细解读

Goroutine 的创建与调度

当一个 Goroutine 被创建时,它会被放入当前 P 的本地队列中。P 是逻辑处理器,每个 P 都有一个本地队列,用于存放待执行的 Goroutine。调度器会优先从当前 P 的本地队列中取出 Goroutine 执行,这样可以减少锁竞争,提高调度效率。

工作窃取(Work Stealing)

如果当前 P 的本地队列为空,调度器会尝试从全局队列或其他 P 的本地队列中窃取 Goroutine。这种机制确保了即使某些 P 的本地队列为空,其他 P 仍然可以继续执行 Goroutine,从而充分利用 CPU 资源。

系统调用与阻塞处理

当一个 Goroutine 执行系统调用或阻塞时,调度器会将当前的 M 与 P 分离,并将 P 分配给其他空闲的 M 继续执行其他 Goroutine。这样可以避免阻塞的 Goroutine 占用 P 的资源,确保其他 Goroutine 能够继续执行。

抢占式调度

Go 调度器支持抢占式调度,确保长时间运行的 Goroutine 不会独占 CPU 资源。调度器会定期检查 Goroutine 的执行时间,并在必要时进行抢占。抢占式调度通过插入抢占标记或使用操作系统信号来实现,确保 Goroutine 能够及时让出 CPU。

调度器的优化

Go 调度器在设计上做了许多优化,例如:

  • 本地队列:每个 P 都有自己的本地队列,减少了锁竞争。
  • 工作窃取:当某个 P 的本地队列为空时,可以从其他 P 的队列中窃取 Goroutine,提高资源利用率。
  • 抢占式调度:确保长时间运行的 Goroutine 不会独占 CPU,避免“饥饿”问题。

通过这些机制,Go 调度器能够高效地管理和调度 Goroutine,充分利用多核 CPU 的计算能力,同时减少上下文切换的开销。

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