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深入 Go 底层原理（四）：GMP 模型深度解析

news 2025/8/3 11:07:40

1. 引言

在上一篇文章中，我们宏观地了解了 Go 的调度策略。现在，我们将深入到构成这个调度系统的三大核心组件：G、M、P。理解 GMP 模型是彻底搞懂 Go 并发调度原理的关键。

本文将详细解析 G、M、P 各自的职责以及它们之间是如何协同工作的。

2. GMP 核心组件

G (Goroutine):
- 定义：G 就是我们常说的 Goroutine。它是一个待执行的任务单元，包含了执行所需的栈空间、指令指针 (PC) 以及其他状态信息（如 goroutine status）。
- 特点：G 是轻量级的，初始栈大小仅为 2KB，可以根据需要动态伸缩。Go 程序可以轻松创建成千上万个 G。
- 状态：G 有多种状态，如 _Gidle (闲置), _Grunnable (可运行), _Grunning (运行中), _Gsyscall (系统调用中), _Gwaiting (等待中), _Gdead (已死亡) 等。调度器根据这些状态来移动 G。
M (Machine):
- 定义：M 是内核线程的抽象，是真正执行代码的实体。runtime 会限制 M 的数量，默认不超过 10000。
- 职责：M 从一个关联的 P 的本地队列中获取 G，然后执行 G 的代码。如果 G 发生系统调用或阻塞，M 可能会与 P 解绑。
- M0 与 M：M0是主线程，是程序启动时创建的第一个内核线程。
P (Processor):
- 定义：P 是处理器的抽象，它代表了 M 执行 Go 代码所需的上下文和资源。P 的数量在程序启动时被设置为 GOMAXPROCS 的值，通常等于 CPU 的核心数。
- 职责：P 是 G 和 M 之间的“中间人”。它维护一个本地可运行 G 队列 (LRQ)，为 M 提供可执行的 G。P 的存在使得调度器可以控制并发的程度（即同时有多少个 G 在真正地运行）。
- 关键作用：P 的引入实现了 M 和 G 的解耦。当一个 M 因为其上运行的 G 进行系统调用而阻塞时，P 会从这个 M 上解绑，并去寻找一个空闲的 M（或创建一个新的 M）来继续执行自己队列中的其他 G。这使得 Go 的并发能力不会因为部分 Goroutine 的阻塞而受限。

3. GMP 的协作流程

一个典型的调度场景如下：

启动：程序启动，创建 M0，并创建 GOMAXPROCS 个 P。
G 的创建：go func() 创建一个新的 G。这个新的 G 会被优先放入当前 M 绑定的 P 的本地队列 (LRQ) 的队头。
M 的执行循环：
- M 启动后，会绑定一个 P（acquirep）。
- M 进入一个无限的调度循环 (schedule)。
- 在循环中，M 尝试从 P 的 LRQ、全局队列 (GRQ) 或通过工作窃取 (runqsteal) 来获取一个可运行的 G。
- 找到 G 后，M 会执行 G 的代码 (execute)。
- G 执行完毕后，M 会再次进入调度循环寻找下一个 G。
系统调用场景 (Syscall):
- 假设 M0 上的 G0 准备进行一个会阻塞的系统调用。
- M0 会与它的 P0 解绑。
- P0 会去寻找一个空闲的 M（比如 M1）或者创建一个新的 M1。
- P0 会绑定到 M1 上，并继续执行 P0 本地队列中的其他 G。
- 与此同时，原来的 M0 则陷入系统调用，等待其完成。
- 当 G0 的系统调用结束后，它会尝试获取一个空闲的 P 来继续执行。如果获取不到，G0 会被放入全局队列。M0 则会进入休眠。