Go语言高阶：调度器系列

进程包含线程

你可能知道：线程分为内核态线程和用户态线程，用户态线程需要绑定内核态线程，CPU并不能感知用户态线程的存在，它只知道它在运行1个线程，这个线程实际是内核态线程。

用户态线程实际有个名字叫协程（co-routine），为了容易区分，我们使用协程指用户态线程，使用线程指内核态线程。

协程跟线程是有区别的，线程由CPU调度是抢占式的，协程由用户态调度是协作式的，一个协程让出CPU后，才执行下一个协程。

协程和线程有3种映射关系：

N:1，N个协程绑定1个线程，优点就是协程在用户态线程即完成切换，不会陷入到内核态，这种切换非常的轻量快速。但也有很大的缺点，1个进程的所有协程都绑定在1个线程上，一是某个程序用不了硬件的多核加速能力，二是一旦某协程阻塞，造成线程阻塞，本进程的其他协程都无法执行了，根本就没有并发的能力了。
1:1，1个协程绑定1个线程，这种最容易实现。协程的调度都由CPU完成了，不存在N:1缺点，但有一个缺点是协程的创建、删除和切换的代价都由CPU完成，有点略显昂贵了。
M:N，M个协程绑定1个线程，是N:1和1:1类型的结合，克服了以上2种模型的缺点，但实现起来最为复杂。

协程是个好东西，不少语言支持了协程，比如：Lua、Erlang、Java（C++即将支持），就算语言不支持，也有库支持协程，比如C语言的coroutine（风云大牛作品）、Kotlin的kotlinx.coroutines、Python的gevent。

goroutine

Go语言的诞生就是为了支持高并发，有2个支持高并发的模型：CSP和Actor。鉴于Occam和Erlang都选用了CSP(来自Go FAQ)，并且效果不错，Go也选了CSP，但与前两者不同的是，Go把channel作为头等公民。

就像前面说的多线程编程太不友好了，Go为了提供更容易使用的并发方法，使用了goroutine和channel。goroutine来自协程的概念，让一组可复用的函数运行在一组线程之上，即使有协程阻塞，该线程的其他协程也可以被runtime调度，转移到其他可运行的线程上。最关键的是，程序员看不到这些底层的细节，这就降低了编程的难度，提供了更容易的并发。

Go中，协程被称为goroutine（Rob Pike说goroutine不是协程，因为他们并不完全相同），它非常轻量，一个goroutine只占几KB，并且这几KB就足够goroutine运行完，这就能在有限的内存空间内支持大量goroutine，支持了更多的并发。虽然一个goroutine的栈只占几KB，但实际是可伸缩的，如果需要更多内容，runtime会自动为goroutine分配。

Go语言的新调度器

面对以上老调度的问题，Go设计了新的调度器，设计文稿：https://golang.org/s/go11sched

新调度器引入了：

P：Processor，它包含了运行goroutine的资源，如果线程想运行goroutine，必须先获取P，P中还包含了可运行的G队列。
work stealing：当M绑定的P没有可运行的G时，它可以从其他运行的M’那里偷取G。

现在，调度器中3个重要的缩写你都接触到了，并且所有文章都使用这3个缩写，请一定记住：

G: goroutine
M: 工作线程
P: 处理器，它包含了运行Go代码的资源，M必须和一个P关联才能运行G。

这篇文章的目的不是介绍调度器的实现，而是调度器的一些理念，帮助你后面更好理解调度器的实现，所以我们回归到调度器设计思想上。

thoughts-of-scheduler

调度器的有两大思想：

复用线程：协程本身就是运行在一组线程之上，不需要频繁的创建、销毁线程，而是对线程的复用。在调度器中复用线程还有2个体现：1）work stealing，当本线程无可运行的G时，尝试从其他线程绑定的P偷取G，而不是销毁线程。2）hand off，当本线程因为G进行系统调用阻塞时，线程释放绑定的P，把P转移给其他空闲的线程执行。

利用并行：GOMAXPROCS设置P的数量，当GOMAXPROCS大于1时，就最多有GOMAXPROCS个线程处于运行状态，这些线程可能分布在多个CPU核上同时运行，使得并发利用并行。另外，GOMAXPROCS也限制了并发的程度，比如GOMAXPROCS = 核数/2，则最多利用了一半的CPU核进行并行。

调度器的两小策略：

抢占：在coroutine中要等待一个协程主动让出CPU才执行下一个协程，在Go中，一个goroutine最多占用CPU 10ms，防止其他goroutine被饿死，这就是goroutine不同于coroutine的一个地方。

全局G队列：在新的调度器中依然有全局G队列，但功能已经被弱化了，当M执行work stealing从其他P偷不到G时，它可以从全局G队列获取G。

上面提到并行了，关于并发和并行再说一下：Go创始人Rob Pike一直在强调Go是并发，不是并行，因为Go做的是在一段时间内完成几十万、甚至几百万的工作，而不是同一时间同时在做大量的工作。并发可以利用并行提高效率，调度器是有并行设计的。

并行依赖多核技术，每个核上在某个时间只能执行一个线程，当我们的CPU有8个核时，我们能同时执行8个线程，这就是并行。