再见Go面试官：GMP模型，为什么要有P？｜极客时间

谢智辉

转载自：脑子进煎鱼了
最近金三银四，是面试的季节。很多在面试 Go 工程师的朋友应该都有碰到比较棘手的题目。
今天的主角，是 Go 面试的万能题 GMP 模型的延伸题（疑问），那就是 ”GMP 模型，为什么要有 P？“
进一步推敲问题的背后，其实这个面试题本质是想问：”GMP 模型，为什么不是 G 和 M 直接绑定就完了，还要搞多一个 P 出来，那么麻烦，为的是什么，是要解决什么问题吗？“
这篇文章我就带你一同探索，GM、GMP 模型的变迁是因为什么原因。
GM 模型在 Go1.1 之前 Go 的调度模型其实就是 GM 模型，也就是没有 P。今天带大家一起回顾过去的设计。
解密 Go1.0 源码我们了解一个东西的办法之一就是看源码，那就一起看看 Go1.0.1 的调度器源码的核心关键步骤：
staticvoidschedule(G *gp){ ... schedlock;if(gp != nil) { ...switch(gp->status){caseGrunnable:caseGdead:// Shouldn't have been running! runtime·throw("bad gp->status in sched"); case Grunning: gp->status = Grunnable; gput(gp); break; }gp = nextgandunlock; gp->readyonstop =0; gp->status = Grunning; m->curg = gp; gp->m = m; ... runtime·gogo(&gp->sched,0);}
[list,
[*,调用 schedlock 方法来获取全局锁。
[*,获取全局锁成功后，将当前 Goroutine 状态从 Running（正在被调度） 状态修改为 Runnable（可以被调度）状态。
[*,调用 gput 方法来保存当前 Goroutine 的运行状态等信息，以便于后续的使用。
[*,调用 nextgandunlock 方法来寻找下一个可运行 Goroutine，并且释放全局锁给其他调度使用。
[*,获取到下一个待运行的 Goroutine 后，将其运行状态修改为 Running。
[*,调用 runtime·gogo 方法，将刚刚所获取到的下一个待执行的 Goroutine 运行起来，进入下一轮调度。

[/list,思考 GM 模型通过对 Go1.0.1 的调度器源码剖析，我们可以发现一个比较有趣的点。那就是调度器本身（schedule 方法），在正常流程下，是不会返回的，也就是不会结束主流程。

                               
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G-M 模型简图

他会不断地运行调度流程，GoroutineA 完成了，就开始寻找 GoroutineB，寻找到 B 了，就把已经完成的 A 的调度权交给 B，让 GoroutineB 开始被调度，也就是运行。
当然了，也有被正在阻塞（Blocked）的 G。假设 G 正在做一些系统、网络调用，那么就会导致 G 停滞。这时候 M（系统线程）就会被会重新放内核队列中，等待新的一轮唤醒。
GM 模型的缺点这么表面的看起来，GM 模型似乎牢不可破，毫无缺陷。但为什么要改呢？
在 2012 年时 Dmitry Vyukov 发表了文章《Scalable Go Scheduler Design Doc》，目前也依然是各大研究 Go 调度器文章的主要对象，其在文章内讲述了整体的原因和考虑，下述内容将引用该文章。
当前（代指 Go1.0 的 GM 模型）的 Goroutine 调度器限制了用 Go 编写的并发程序的可扩展性，尤其是高吞吐量服务器和并行计算程序。
实现有如下的问题：
[list,
[*,存在单一的全局 mutex（Sched.Lock）和集中状态管理：
[/list,
[list,
[*,mutex 需要保护所有与 goroutine 相关的操作（创建、完成、重排等），导致锁竞争严重。
[/list,
[list,
[*,Goroutine 传递的问题：
[/list,
[list,
[*,goroutine（G）交接（G.nextg）：工作者线程（M's）之间会经常交接可运行的 goroutine。
[*,上述可能会导致延迟增加和额外的开销。
[/list,
[list,
[*,每个 M 必须能够执行任何可运行的 G，特别是刚刚创建 G 的 M。每个 M 都需要做内存缓存（M.mcache）：
[/list,
[list,
[*,会导致资源消耗过大（每个 mcache 可以吸纳到 2M 的内存缓存和其他缓存），数据局部性差。
[/list,
[list,
[*,频繁的线程阻塞 / 解阻塞：
[/list,
[list,
[*,在存在 syscalls 的情况下，线程经常被阻塞和解阻塞。这增加了很多额外的性能开销。
[/list,GMP 模型为了解决 GM 模型的以上诸多问题，在 Go1.1 时，Dmitry Vyukov 在 GM 模型的基础上，新增了一个 P（Processor）组件。并且实现了 Work Stealing 算法来解决一些新产生的问题。

                               
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带来什么改变加了 P 之后会带来什么改变呢？我们再更显式的讲一下。
[list,
[*,每个 P 有自己的本地队列，大幅度的减轻了对全局队列的直接依赖，所带来的效果就是锁竞争的减少。而 GM 模型的性能开销大头就是锁竞争。
[*,每个 P 相对的平衡上，在 GMP 模型中也实现了 Work Stealing 算法，如果 P 的本地队列为空，则会从全局队列或其他 P 的本地队列中窃取可运行的 G 来运行，减少空转，提高了资源利用率。
[/list,为什么要有 P这时候可能会有人疑惑了，如果是想实现本地队列、Work Stealing 算法，那为什么不直接在 M 上加呢，M 也照样可以实现类似的功能。为什么又再加多一个 P 组件？结合 M（系统线程） 的定位来看，若这么做，有以下问题。
[list,
[*,一般来讲，M 的数量都会多于 P。像在 Go 中，M 的数量最大限制是 10000，P 的默认数量的 CPU 核数。另外由于 M 的属性，也就是如果存在系统阻塞调用，阻塞了 M，又不够用的情况下，M 会不断增加。
[*,M 不断增加的话，如果本地队列挂载在 M 上，那就意味着本地队列也会随之增加。这显然是不合理的，因为本地队列的管理会变得复杂，且 Work Stealing 性能会大幅度下降。
[*,M 被系统调用阻塞后，我们是期望把他既有未执行的任务分配给其他继续运行的，而不是一阻塞就导致全部停止。
[/list,因此使用 M 是不合理的，那么引入新的组件 P，把本地队列关联到 P 上，就能很好的解决这个问题。
总 结这次结合了整个 Go 语言调度器的一些历史情况、原因分析以及解决方案说明。”
GMP 模型，为什么要有 P“ 这个问题就像是一道系统设计了解，因为现在很多人为了应对面试，会硬背 GMP 模型，或者是泡面式过了一遍。而理解其中真正背后的原因，才是我们要去学的要去理解。
知其然知其所以然，才可破局。
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