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go语言协程调度器 GPM 模型

news 来源：原创 2025/7/27 11:15:59

go语言协程调度器 GPM 模型

下面的文章将以几个问题展开，其中可能会有扩展处：

  1. 什么是调度器？为什么需要调度器？

  2. 多进程/多线程时cpu怎么工作？

  3. 进程/线程的数量多多少？太多行不行？为什么不行？那怎么解决？

  4. 什么是协程？协程和线程/进程的区别？协程加入的作用？为什么会有这样的作用？

  5. GPM模型的结构？怎么设计的？各部分的作用？各部分间怎么协作？

调度器由来

单进程时代，所有程序几乎都是阻塞的。只能一个任务一个任务执行。那么在计算机处理流程中会有多个硬件的支持和处理，cpu、cache、主内存、磁盘、网络等。比如：但是当任务执行到磁盘时，需要加载磁盘数据，此时流程阻塞，导致cpu处于等待状态，那么这对于cpu来说就是资源浪费。理应让cpu在这时去处理其他任务。又因为单进程下多任务也会阻塞，由此出现了多进程/多线程。为了极大发挥cpu等资源。我们需要有一个监听通知机制或者说算法，监听cpu状态并告知cpu执行哪一个任务。

多进程/多线程时cpu工作方式

为了实现在宏观角度上多个进程/线程一起执行的目标，需要一个调度器，通过分时的机制，在不同的时间轴上执行不同的进程/线程。

多进程/线程的烦恼

假设在linux系统下，linux对待进程和线程是一样的。

假设，一个程序提供了一个服务。当并发量很小时，我们创建了较多的进程和线程，我们发现：整体的处理响应速度提高、应对并发量的阈值提高。当并发量很大时，我们创建了大量的进程和线程，此时我们发现：这个整体的响应反而比之前的慢，那按道理应该是相同的处理响应时间。

这是为何呢？

这是因为进程和线程的大量创建，cpu的资源大量用到了进程/线程的创建、进程/线程间切换、进程/线程销毁等与业务无关的操作。使得真正用到业务的cpu资源减少。还有内存的高占用，导致整体性能下降。

那么怎么解决呢？

这时出现了协程。

协程

协程其实是一种“用户态”的线程。（之后我们把”线程“都看作“内核级线程”），协程必须绑定线程才可以正常运行。那怎么绑定？方式上？数量上？

绑定方式和数量

N : 1 关系

N个协程由一个协程调度器调度，和一个线程绑定

缺点：

一个协程阻塞，整个线程也就阻塞了

1 : 1 关系

协程和线程 1 : 1 绑定，协程的调度也由cpu完成

缺点：

cpu又负责协程的创建、切换、销毁，增加了cpu的负担

M : N 关系

克服以上的问题。用户态调度器负责协程的创建，协程阻塞会主动让出线程，使得有新的协程可以和线程绑定，执行其他任务。

综上，那么在 M : N 的关系中，怎么实现一个协程调度器是至关重要的，因为他会基于协作式的调度策略负责与线程的解绑定，影响执行效率

在介绍完整个的调度器、协程后，我们来认识 go 语言中的协程和调度器

Go协程

go协程基于协程的思想，是一种用户级线程。由 runtime 调度，初始占用极小，但是可以动态的扩容。

扩展：

runtime 是 Go 语言的核心运行时环境，负责管理内存分配、垃圾回收（GC）、协程调度、系统调用等底层操作。其中，协程调度器 是 runtime 的关键组件之一，负责 Goroutine 的创建、销毁和调度。

GPM 模型

首先，需要明白的是：gpm模型是go语言实现的一种用户空间的协程调度器，是 runtime包 的核心组件之一

GPM 模型的成员

G：goroutine协程，用户空间。协程实体，保存执行上下文（栈、PC 指针等），初始栈 2KB，动态扩缩容

P：processor处理器，用户空间。是 Go 运行时在用户空间抽象出的调度上下文，负责承载 Goroutine 队列和执行环境，数量由 GOMAXPROCS 控制

M：(machine)thread线程，内核空间。实际执行代码的内核线程，必须绑定 P 才能运行 G(实际上，这里就是将之前的 “协程→线程” 直接绑定关系，抽象为 “协程→P→线程” 的间接绑定)

扩展：相比于之前直接绑定关系，这样的间接绑定的好处是什么？

一、抽象层级的对比
模型绑定关系调度灵活性资源利用率
传统 N:1协程 → 单线程极低单核利用
传统 1:1协程 → 专用线程高高（但开销大）
Go GPM（M:N）协程 → P → 动态绑定线程极高高且开销低
二、引入 P 的核心优势
  1. 解耦协程与线程的强绑定

  • 传统模式问题：
    在 1:1 模式下，协程阻塞会导致对应线程阻塞，即使系统中存在其他可运行的协程。

  • GPM 解决方案

    P 作为 “执行上下文”，可在不同 M 间动态迁移。当 G 阻塞时，P 与当前 M 解绑，转移到其他空闲 M 继续执行队列中的 G。

    // 示例：当 G1 执行阻塞操作时
go func() { // G1resp, _ := http.Get("https://example.com") // 阻塞调用// ...
}()go func() { // G2// 即使 G1 阻塞，P 可调度 G2 在其他 M 上执行
}()
  1. 减少锁竞争，提升并发性能

  • 全局队列瓶颈：
    早期 Go 版本（<=1.0）仅使用全局运行队列，所有 M 竞争同一个队列，锁冲突严重。

  • P 的本地队列

    每个 P 维护自己的本地队列（LRQ），M 优先从本地队列获取 G，大幅减少锁争用。

    • 工作窃取：当本地队列空时，M 从其他 P 的队列 “偷取” G，负载均衡更高效。
  1. 优化系统调用处理

  • 非阻塞系统调用：
    通过 netpoller（基于 epoll/kqueue）实现 IO 多路复用，M 无需阻塞等待，可继续执行其他 G。

  • 阻塞系统调用

    当 G 执行阻塞调用时，M 释放 P，允许其他 M 接管 P 继续工作。调用完成后，G 重新加入某个 P 的队列。

    // 底层逻辑简化示意
func syscallRead(fd int) {g := getg()g.m.p.ptr().syscallentering(g) // P 准备进入系统调用// 执行内核调用...g.m.p.ptr().syscallexiting(g)  // P 退出系统调用，重新分配
}
  1. 控制并行度，避免过度并发
  • GOMAXPROCS

    限制活跃 P 的数量，从而控制实际并行执行的协程数。

    • 对于 CPU 密集型任务，设置 GOMAXPROCS=CPU核数 可充分利用硬件资源。
    • 对于 IO 密集型任务，可设置更大的 GOMAXPROCS，但需权衡线程切换开销。
三、对比实验：P 的性能影响

以下是不同 GOMAXPROCS 设置下的性能测试（数据为示意）：

GOMAXPROCS吞吐量（req/s）平均延迟（ms）线程数
110,00052-3
435,00044-6
1638,000616-20
  • 结论
    • 增加 P 数量（≤CPU 核数）可提升并行度，但超过核数后收益递减，甚至因线程切换开销导致性能下降。
四、总结：P 的设计哲学

P 的引入本质是在用户空间实现了一个轻量级的虚拟 CPU 管理系统：

  • 将调度决策（如 G 的选择、负载均衡）从内核转移到用户空间，减少内核干预；
  • 通过本地队列和工作窃取算法，最小化锁竞争（对全局队列来说）；
  • 动态绑定机制使资源利用更高效，尤其适合高并发 IO 场景。

这种设计让 Go 既能支持百万级协程，又能高效利用多核 CPU，成为构建云原生应用的理想语言。

GPM 模型结构介绍

  1. 全局队列：负责存放等待运行的协程。协程来源：各自处理器下协程创建满了就拿一半放到全局队列。协程去处：处理器本地队列的协程不够了就从全局队列拿取。特点：全局资源，任何读写操作都是要互斥的（上锁）。
  2. P：处理器。对上负责调度协程，向下负责绑定线程。维护一个本地的协程队列，有利于细锁化。特点：协程偷取机制、动态绑定线程。
  3. M：负责从P中获取协程执行任务。触发P的偷取机制、从全局队列取协程动作

GMP 模型的调度策略的介绍

  1. 线程复用：比如在GPM模型中，当线程出现空闲或阻塞状态时分别会触发偷取机制和移交机制。使得充分利用线程，避免大量创建和销毁线程。
  2. 并行：P 的数量决定了并行量。cpu核数决定了 P 的数量。推荐最大的 P = 核数/2
  3. 混合协程工作策略：抢占式 + 协作式。协作式：当goroutine出现阻塞，协程主动让出，P 解绑定，然后和其他空闲线程绑定。抢占式：一个go程最大运行时长为10ms（go1.14后新增），调度器通过 SIGURG 信号强制中断其执行，go程主动释放 P
  4. 全局G队列：本地队列为空，优先从全局队列取，如果没有则“偷取”。本地队列过多，向全局队列输送协程。

GPM 模型的调度器生命周期

在 Go 语言调度器的 GPM 模型中还有两个比较特殊的角色，它们分别是 M0 和 G0。

  1. M0
    • 启动程序后的编号为 0 的主线程。
    • 在全局命令 runtime.m0 中，不需要在 heap 堆上分配。
    • 负责执行初始化操作和启动第 1 个 G。
    • 启动第 1 个 G 后，M0 就和其他的 M 一样了。
  2. G0
    • 每次启动一个 M，创建的第 1 个 Goroutine 就是 G0。
    • G0 仅用于负责调度 G。
    • G0 不指向任何可执行的函数。
    • 每个 M 都会有一个自己的 G0。
    • 在调度或系统调度时，会使用 M 切换到 G0，再通过 G0 调度。
    • M0 的 G0 会放在全局空间。
初始化阶段
  1. 创建最初的 M0 和 G0，并将二者关联。
  2. 初始化 M0、栈、垃圾回收，以及创建和初始化由 GOMAXPROCS 个 P 构成的 P 列表
作用阶段
  1. runtime.main函数开始，(创建 Main Goroutine)调用 main.main 函数, 将 Main Goroutine 放到 P 的本地队列。
  2. 启动 M0 ，M0 从 P 中获取 Main Goroutine 。（由于 G 拥有栈，M 根据 G 的栈信息和调度信息设置运行环境）然后运行，最后（如果还有待执行的go程）继续从 P 队列获取go程执行，直到 Main Goroutine 结束。最后 runtime.main 执行 Defer 和 Panic 或者 runtime.exit 结束。

GPM 模型调度的场景举例

  1. go程1 创建 go程2，优先加入本地队列
  2. G0 和 G1的切换，当 M 上的 G1 执行完，自动切换回 G0
  3. 开辟过多 G ，拿出前一半的go程和新创建的go程放到全局队列
  4. 新创建的 go程 可以唤醒空闲的 mp 组合执行任务
  5. 当一个 mp 组合没有g执行时，p 就会调度 G0线程。此时 M、P、G0组合被称为 自旋线程
  6. 自旋线程寻找可执行的 G 优先从全局队列获取
  7. 自旋线程寻找可执行的 G 最后从其他队列偷取
  8. 阻塞线程和 P 解绑，然后 P 和其他 可运行的M绑定。
  9. 之前与 P 绑定的 M 非阻塞后，P 会尝试与 M 重新绑定。如果 P 正在和其他 M 绑定 或者 全局空闲 P 队列为空，那么 M 进入空闲线程队列，进入休眠（最后可能被 gc）

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编程日记 2025/7/23 22:39:43

Fine-Tuning Llama2 with LoRA

Fine-Tuning Llama2 with LoRA 1. What is LoRA?2. How does LoRA work?3. Applying LoRA to Llama2 models4. LoRA finetuning recipe in torchtune5. Trading off memory and model performance with LoRAModel ArgumentsReferences https://docs.pytorch.org/torchtune/ma…...

编程日记 2025/7/16 10:39:49

Compose笔记(二十五)--Brush

这一节主要了解一下Compose中Brush,在Jetpack Compose里&#xff0c;Brush是一个重要的 API&#xff0c;它用于定义填充图形的颜色渐变或图案&#xff0c;能够为界面元素添加丰富的视觉效果。简单总结如下: 1 常见场景 填充形状&#xff08;圆形、矩形等&#xff09; 创建渐变…...

编程日记 2025/7/24 13:40:26

访问共享打印机提示错误0x00000709多种解决方法(支持win10和win11)

在日常办公和生活中&#xff0c;打印机是不可或缺的重要设备。然而&#xff0c;有时在连接打印机的过程中&#xff0c;我们可能会遇到错误代码0x00000709的提示。有更新补丁导致的、有访问共享打印机服务异常、有访问共享打印机驱动异常等问题导致的&#xff0c;针对访问共享打…...

编程日记 2025/7/25 21:13:48

【Mini 型 http 服务器】—— int get_line(int sock, char *buf, int size)；

作用&#xff1a; 逐行读取并返回读取的内容长度&#xff0c;取出读取的内容保存在 buf 数组中 输入&#xff1a; int sock&#xff1a;需要读取的 sock 套接字 char *buf&#xff1a;用于记录保存读取的内容 int size&#xff1a;buf 的大小 返回值&#xff1a; -1 表示 读取…...

编程日记 2025/7/27 0:37:29

Window远程连接Linux桌面版

Window远程连接Linux桌面版 卸载RealVNC Server 一、确认是否安装了 VNC Server 先检查是否已安装&#xff1a; which vncserver # 或 dpkg -l | grep vnc # 或 rpm -qa | grep vnc二、在 Debian / Ubuntu 上卸载&#xff08;.deb 安装&#xff09; 1. 卸载 RealVNC Serve…...

编程日记 2025/7/26 23:41:28

计算机系统---TPU（张量处理单元）

一、定义与定位 TPU&#xff08;Tensor Processing Unit&#xff09; 是由Google开发的专用AI加速芯片&#xff0c;专为深度学习中的张量运算&#xff08;如矩阵乘法、卷积&#xff09;设计&#xff0c;属于ASIC&#xff08;专用集成电路&#xff09;范畴。其核心目标是在算力…...

编程日记 2025/7/26 16:19:47

5.18 day24

知识点回顾&#xff1a; 元组可迭代对象os模块 作业&#xff1a;对自己电脑的不同文件夹利用今天学到的知识操作下&#xff0c;理解下os路径。 元组 元组的特点&#xff1a; 有序&#xff0c;可以重复&#xff0c;这一点和列表一样 元组中的元素不能修改&#xff0c;这一点…...

编程日记 2025/7/22 19:49:15

Filament引擎(一) ——渲染框架设计

filament是谷歌开源的一个基于物理渲染(PBR)的轻量级、高性能的实时渲染框架&#xff0c;其框架架构设计并不复杂&#xff0c;后端RHI的设计也比较简单。重点其实在于项目中材质、光照模型背后的方程式和理论&#xff0c;以及对它们的实现。相关的信息&#xff0c;可以参考官方…...

编程日记 2025/7/24 16:42:24

区间带边权并查集，XY4060泄露的测试点

目录 一、题目 1、题目描述 2、输入输出 2.1输入 2.2输出 3、原题链接 二、解题报告 1、思路分析 2、复杂度 3、代码详解 一、题目 1、题目描述 2、输入输出 2.1输入 2.2输出 3、原题链接 码蹄集 二、解题报告 1、思路分析 关于带边权并查集&#xff1a;并查集&…...

编程日记 2025/7/22 9:36:45

虚幻引擎5-Unreal Engine笔记之Pawn与胶囊体的关系

虚幻引擎5-Unreal Engine笔记之Pawn与胶囊体的关系 code review! 文章目录 虚幻引擎5-Unreal Engine笔记之Pawn与胶囊体的关系1. 什么是Pawn&#xff1f;2. 什么是胶囊体&#xff08;Capsule Component&#xff09;&#xff1f;3. Pawn与胶囊体的具体关系&#xff08;1&#x…...

编程日记 2025/7/23 16:27:19

USB学习【11】STM32 USB初始化过程详解

1.USB HAL库里面的结构体 为了管理USB&#xff0c;HAL首先构建了一下几个结构体 1.1 USBD设备结构体 USB用到的全局变量&#xff0c;保存了USB生命周期的全部信息。 1.2 USBD PCD底层硬件操作相关结构体 1.3 USB 配置结构体 USB速度、PHY接口类型、端点0参数等 1.4 端点配置…...

编程日记 2025/7/23 19:35:32

Estimation（估算）：业务分析师的“不确定性对抗术”

在变化中给出最靠谱的预判。 当面对项目排期模糊、资源计划混乱、老板催问“多久能搞定”的时候&#xff0c; 我总会说&#xff1a;“别着急&#xff0c;我们先做个 Estimation。” 因为&#xff0c;没有靠谱的估算&#xff0c;承诺和资源分配就是空中楼阁。 什么是 Estimati…...

编程日记 2025/7/22 18:03:54