深入 Go 底层原理（三）：Goroutine 的调度策略

1. 引言

Goroutine 是 Go 语言并发的基石，它常被称为“轻量级线程”。与操作系统（OS）线程相比，Goroutine 的创建和销毁成本极低，上下文切换也快得多。这得益于 Go 语言在 runtime 中实现的一套高效的用户态调度系统。

本文将宏观地介绍 Goroutine 的调度策略，包括其 M:N 模型、工作窃取（Work-Stealing）和抢占机制，为下一篇深入 GMP 模型打下基础。

2. M:N 调度模型

Go 的调度器采用的是 M:N 模型。

• M (Machine): 代表内核线程（OS Thread）。

• N (Goroutine): 代表 Go 语言的用户态协程。

M:N 模型意味着，调度器会将 N 个 Goroutine 动态地、多路复用地调度到 M 个内核线程上执行。通常情况下，M 的数量远小于 N 的数量（M 约等于 CPU 核心数）。

这种模型的优势在于：

• 低成本切换：Goroutine 的上下文切换完全在用户态完成，不涉及内核态和用户态的转换，成本非常低（只需保存几个寄存器，如 PC, SP）。

• 高效利用资源：当一个 Goroutine 因系统调用（如 I/O）或 channel 操作而阻塞时，调度器会将其从内核线程 M 上摘下，并让 M 去执行另一个可运行的 Goroutine，从而避免了线程的空闲和浪费。

3. 核心调度策略：工作窃取 (Work-Stealing)

为了让所有内核线程都尽可能地“忙碌”起来，Go 调度器采用了一种非常有效的负载均衡策略——工作窃取。

在 GMP 模型中（详见下篇），每个处理器 P (Processor) 都有一个自己的本地可运行 Goroutine 队列（Local Run Queue, LRQ）。调度流程如下：

1. 优先本地队列：当一个内核线程 M 准备执行 Goroutine 时，它会优先从其绑定的 P 的本地队列中获取 G。这个过程不需要加锁，非常高效。

2. 尝试全局队列：如果 P 的本地队列为空，M 会尝试从全局可运行队列（Global Run Queue, GRQ） 中获取一批 G 到自己的本地队列。访问全局队列需要加锁。

3. 工作窃取：如果全局队列也为空，M 将会变身为一个“小偷”，它会随机地选择另一个处理器 P'，并尝试从 P' 的本地队列中**“窃取”**一半的 Goroutine 到自己的本地队列中。

工作窃取机制极大地提高了调度器的效率和并行度，确保了当一个 P 的任务繁重时，空闲的 P 可以主动过来分担，实现了任务的动态负载均衡。

4. Goroutine 的抢占 (Preemption)

如果一个 Goroutine 长时间占用一个线程 M（例如，进行密集的计算），其他 Goroutine 就会“饿死”。为了防止这种情况，Go 需要一种抢占机制，让出 CPU 给其他 Goroutine。

Go 的抢占经历了两个阶段：

1. 协作式抢占 (Go 1.14 之前)

   • 编译器在函数调用的入口处插入一些“抢占检查”代码。

   • 当 Goroutine 进行函数调用时，会检查一个全局的抢占标记。如果标记被设置，它会主动让出 CPU。

   • 缺点：如果一个 Goroutine 只是在一个没有函数调用的 for 循环中进行密集计算，它将永远不会被抢占。

2. 基于信号的异步抢占 (Go 1.14 及以后)

   • Go runtime 会启动一个名为 sysmon 的监控线程。

   • sysmon 会定期检查所有正在运行的 Goroutine。如果发现某个 G 运行时间超过了一个阈值（如 10ms），它会向该 G 所在的线程 M 发送一个抢占信号。

   • M 接收到信号后，会中断当前 G 的执行，将其重新放回队列，然后执行其他 G。

这种异步抢占机制解决了协作式抢占的痛点，保证了即使在没有函数调用的“死循环”计算中，Goroutine 也能被公平地调度。

5. 总结

Go 语言的 Goroutine 调度器是一个设计精良、高效的系统。它通过 M:N 模型实现了 Goroutine 与内核线程的解耦，通过工作窃取策略实现了负载均衡，并通过异步抢占机制保证了调度的公平性。这些策略共同构成了 Go 高并发性能的基石。下一篇，我们将深入构成这一切的 GMP 三大组件。