Golang 并發(fā)模型之 GMP 淺嘗
從進程談起
????進程與線程的區(qū)別是什么？這是一個老生長談的一道面試題。處于不同層面對該問題的理解也大不相同。對于用戶層面來說，進程就是一塊運行起來的程序，線程就是程序里的一些并發(fā)的功能。對于操作系統(tǒng)層面來說，標準回答是“進程是資源分配的最小單位，線程是cpu調(diào)度的最小單位”。接下來先從操作系統(tǒng)層面介紹一下進程與線程。
進程
????在程序啟動時，操作系統(tǒng)會給該程序分配一塊內(nèi)存空間，對于程序但看到的是一整塊連續(xù)的內(nèi)存空間，稱為虛擬內(nèi)存空間，落實到操作系統(tǒng)內(nèi)核則是一塊一塊的內(nèi)存碎片的東西。為的是節(jié)省內(nèi)核空間，方便對內(nèi)存管理。
????就這片內(nèi)存空間，又劃分為用戶空間與內(nèi)核空間，用戶空間只用于用戶程序的執(zhí)行，若要執(zhí)行各種IO操作，就會通過系統(tǒng)調(diào)用等進入內(nèi)核空間進行操作。每個進程都有自己的PID，可以通過ps命令查看某個進程的pid，進入/proc/
線程
????線程是進程的一個執(zhí)行單元，一個進程可以包含多個線程，只有擁有了線程的進程才會被CPU執(zhí)行，所以一個進程最少擁有一個主線程。
????由于多個線程可以共享同一個進程的內(nèi)存空間，線程的創(chuàng)建不需要額外的虛擬內(nèi)存空間，線程之間的切換也就少了如進程切換的切換頁表，切換虛擬地址空間此類的巨大開銷。至于進程切換為什么較大，簡單理解是因為進程切換要保存的現(xiàn)場太多如寄存器，棧，代碼段，執(zhí)行位置等，而線程切換只需要保存線程執(zhí)行的上下文即可。線程的的切換只需要保存線程的執(zhí)行現(xiàn)場(程序計數(shù)器等狀態(tài))保存在該線程的棧里，CPU把棧指針，指令寄存器的值指向下一個線程。相比之下線程更加輕量級。
? ? 可以說進程面向的主要內(nèi)容是內(nèi)存分配管理，而線程主要面向的CPU調(diào)度。
協(xié)程
????雖然線程比進程要輕量級，但是每個線程依然占有1M左右的空間，在高并發(fā)場景下非常吃機器內(nèi)存，比如構建一個http服務器，如果一個每來一次請求分配一個線程，請求數(shù)暴增容易OOM，而且線程切換的開銷也是不可忽視的。同時，線程的創(chuàng)建與銷毀同樣是比較大的系統(tǒng)開銷，因為是由內(nèi)核來做的，解決方法也有，可以通過線程池或協(xié)程來解決。
????協(xié)程是用戶態(tài)的線程，比線程更加的輕量級，操作系統(tǒng)對其沒有感知，之所以沒有感知是由于協(xié)程處于線程的用戶棧能感知的范圍，是由用戶創(chuàng)建的而非操作系統(tǒng)。
????如一個進程可擁有以有多個線程一樣，一個線程也可以擁有多個協(xié)程。協(xié)程之于線程如同線程之于cpu，擁有自己的協(xié)程隊列，每個協(xié)程擁有自己的棧空間，在協(xié)程切換時候只需要保存協(xié)程的上下文，開銷要比內(nèi)核態(tài)的線程切換要小很多。
GMP模型
含義
Goroutine的并發(fā)編程模型基于GMP模型，簡要解釋一下GMP的含義：
G:表示goroutine，每個goroutine都有自己的棧空間，定時器，初始化的棧空間在2k左右，空間會隨著需求增長。
M:抽象化代表內(nèi)核線程，記錄內(nèi)核線程棧信息，當goroutine調(diào)度到線程時，使用該goroutine自己的棧信息。
P:代表調(diào)度器，負責調(diào)度goroutine，維護一個本地goroutine隊列，M從P上獲得goroutine并執(zhí)行，同時還負責部分內(nèi)存的管理。
模型
從大體看一下GMP模型。
M代表一個工作線程，在M上有一個P和G，P是綁定到M上的，G是通過P的調(diào)度獲取的，在某一時刻，一個M上只有一個G（g0除外）。在P上擁有一個G隊列，里面是已經(jīng)就緒的G，是可以被調(diào)度到線程棧上執(zhí)行的協(xié)程，稱為運行隊列。
接下來看一下程序中GMP的分布。
????每個進程都有一個全局的G隊列，也擁有P的本地執(zhí)行隊列，同時也有不在運行隊列中的G。如正處于channel的阻塞狀態(tài)的G，還有脫離P綁定在M的(系統(tǒng)調(diào)用)G，還有執(zhí)行結(jié)束后進入P的gFree列表中的G等等，接下來列舉一下常見的幾種狀態(tài)。
狀態(tài)匯總
G狀態(tài)
G的主要幾種狀態(tài)：
本文基于Go1.13，具體代碼見（
_Gidle：剛剛被分配并且還沒有被初始化，值為0，為創(chuàng)建goroutine后的默認值
_Grunnable： 沒有執(zhí)行代碼，沒有棧的所有權，存儲在運行隊列中，可能在某個P的本地隊列或全局隊列中(如上圖)。
_Grunning： 正在執(zhí)行代碼的goroutine，擁有棧的所有權(如上圖)。
_Gsyscall：正在執(zhí)行系統(tǒng)調(diào)用，擁有棧的所有權，與P脫離，但是與某個M綁定，會在調(diào)用結(jié)束后被分配到運行隊列(如上圖)。?
_Gwaiting：被阻塞的goroutine，阻塞在某個channel的發(fā)送或者接收隊列(如上圖)。
_Gdead：? 當前goroutine未被使用，沒有執(zhí)行代碼，可能有分配的棧，分布在空閑列表gFree，可能是一個剛剛初始化的goroutine，也可能是執(zhí)行了goexit退出的goroutine(如上圖)。
_Gcopystac：棧正在被拷貝，沒有執(zhí)行代碼，不在運行隊列上，執(zhí)行權在
_Gscan ?： GC 正在掃描棧空間，沒有執(zhí)行代碼，可以與其他狀態(tài)同時存在
P的狀態(tài)
_Pidle ：處理器沒有運行用戶代碼或者調(diào)度器，被空閑隊列或者改變其狀態(tài)的結(jié)構持有，運行隊列為空
_Prunning ：被線程 M 持有，并且正在執(zhí)行用戶代碼或者調(diào)度器(如上圖)
_Psyscall：沒有執(zhí)行用戶代碼，當前線程陷入系統(tǒng)調(diào)用(如上圖)
_Pgcstop?：被線程 M 持有，當前處理器由于垃圾回收被停止
_Pdead? ：當前處理器已經(jīng)不被使用
M的狀態(tài)
自旋線程：處于運行狀態(tài)但是沒有可執(zhí)行goroutine的線程(如下圖)，數(shù)量最多為GOMAXPROC，若是數(shù)量大于GOMAXPROC就會進入休眠。
非自旋線程：處于運行狀態(tài)有可執(zhí)行goroutine的線程。
調(diào)度場景
Channel阻塞：當goroutine讀寫channel發(fā)生阻塞時候，會調(diào)用gopark函數(shù)，該G會脫離當前的M與P，調(diào)度器會執(zhí)行schedule函數(shù)調(diào)度新的G到當前M。可參考上一篇文章channel探秘。
系統(tǒng)調(diào)用：當某個G由于系統(tǒng)調(diào)用陷入內(nèi)核態(tài)時，該P就會脫離當前的M，此時P會更新自己的狀態(tài)為Psyscall，M與G互相綁定，進行系統(tǒng)調(diào)用。結(jié)束以后若該P狀態(tài)還是Psyscall，則直接關聯(lián)該M和G，否則使用閑置的處理器處理該G。
系統(tǒng)監(jiān)控：當某個G在P上運行的時間超過10ms時候，或者P處于Psyscall狀態(tài)過長等情況就會調(diào)用retake函數(shù)，觸發(fā)新的調(diào)度。
主動讓出：由于是協(xié)作式調(diào)度，該G會主動讓出當前的P，更新狀態(tài)為Grunnable，該P會調(diào)度隊列中的G運行。
總結(jié)
??? Go語言中通過GMP模型實現(xiàn)了對CPU和內(nèi)存的合理利用，使得用戶在不用擔心內(nèi)存的情況下體驗到線程的好處。雖說協(xié)程的空間很小，但是也需要關注一下協(xié)程的生命周期，防止過多的協(xié)程滯留造成OOM。最近遇到了線上的OOM問題，等待下期一起分析。
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