GPM 是什么

G、P、M 是 Go 调度器的三个核心组件,各司其职。在它们精密地配合下,Go 调度器得以高效运转,这也是 Go 天然支持高并发的内在动力。今天这篇文章我们来深入理解 GPM 模型。

先看 G,取 goroutine 的首字母,主要保存 goroutine 的一些状态信息以及 CPU 的一些寄存器的值,例如 IP 寄存器,以便在轮到本 goroutine 执行时,CPU 知道要从哪一条指令处开始执行。

当 goroutine 被调离 CPU 时,调度器负责把 CPU 寄存器的值保存在 g 对象的成员变量之中。

当 goroutine 被调度起来运行时,调度器又负责把 g 对象的成员变量所保存的寄存器值恢复到 CPU 的寄存器。

本系列使用的代码版本是 1.9.2,来看一下 g 的源码:

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type g struct {

	// goroutine 使用的栈
	stack       stack   // offset known to runtime/cgo
	// 用于栈的扩张和收缩检查,抢占标志
	stackguard0 uintptr // offset known to liblink
	stackguard1 uintptr // offset known to liblink

	_panic         *_panic // innermost panic - offset known to liblink
	_defer         *_defer // innermost defer
	// 当前与 g 绑定的 m
	m              *m      // current m; offset known to arm liblink
	// goroutine 的运行现场
	sched          gobuf
	syscallsp      uintptr        // if status==Gsyscall, syscallsp = sched.sp to use during gc
	syscallpc      uintptr        // if status==Gsyscall, syscallpc = sched.pc to use during gc
	stktopsp       uintptr        // expected sp at top of stack, to check in traceback
	// wakeup 时传入的参数
	param          unsafe.Pointer // passed parameter on wakeup
	atomicstatus   uint32
	stackLock      uint32 // sigprof/scang lock; TODO: fold in to atomicstatus
	goid           int64
	// g 被阻塞之后的近似时间
	waitsince      int64  // approx time when the g become blocked
	// g 被阻塞的原因
	waitreason     string // if status==Gwaiting
	// 指向全局队列里下一个 g
	schedlink      guintptr
	// 抢占调度标志。这个为 true 时,stackguard0 等于 stackpreempt
	preempt        bool     // preemption signal, duplicates stackguard0 = stackpreempt
	paniconfault   bool     // panic (instead of crash) on unexpected fault address
	preemptscan    bool     // preempted g does scan for gc
	gcscandone     bool     // g has scanned stack; protected by _Gscan bit in status
	gcscanvalid    bool     // false at start of gc cycle, true if G has not run since last scan; TODO: remove?
	throwsplit     bool     // must not split stack
	raceignore     int8     // ignore race detection events
	sysblocktraced bool     // StartTrace has emitted EvGoInSyscall about this goroutine
	// syscall 返回之后的 cputicks,用来做 tracing
	sysexitticks   int64    // cputicks when syscall has returned (for tracing)
	traceseq       uint64   // trace event sequencer
	tracelastp     puintptr // last P emitted an event for this goroutine
	// 如果调用了 LockOsThread,那么这个 g 会绑定到某个 m 上
	lockedm        *m
	sig            uint32
	writebuf       []byte
	sigcode0       uintptr
	sigcode1       uintptr
	sigpc          uintptr
	// 创建该 goroutine 的语句的指令地址
	gopc           uintptr // pc of go statement that created this goroutine
	// goroutine 函数的指令地址
	startpc        uintptr // pc of goroutine function
	racectx        uintptr
	waiting        *sudog         // sudog structures this g is waiting on (that have a valid elem ptr); in lock order
	cgoCtxt        []uintptr      // cgo traceback context
	labels         unsafe.Pointer // profiler labels
	// time.Sleep 缓存的定时器
	timer          *timer         // cached timer for time.Sleep

	gcAssistBytes int64
}

源码中,比较重要的字段我已经作了注释,其他未作注释的与调度关系不大或者我暂时也没有理解的。

g 结构体关联了两个比较简单的结构体,stack 表示 goroutine 运行时的栈:

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// 描述栈的数据结构,栈的范围:[lo, hi)
type stack struct {
    // 栈顶,低地址
	lo uintptr
	// 栈低,高地址
	hi uintptr
}

Goroutine 运行时,光有栈还不行,至少还得包括 PC,SP 等寄存器,gobuf 就保存了这些值:

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type gobuf struct {
	// 存储 rsp 寄存器的值
	sp   uintptr
	// 存储 rip 寄存器的值
	pc   uintptr
	// 指向 goroutine
	g    guintptr
	ctxt unsafe.Pointer // this has to be a pointer so that gc scans it
	// 保存系统调用的返回值
	ret  sys.Uintreg
	lr   uintptr
	bp   uintptr // for GOEXPERIMENT=framepointer
}

再来看 M,取 machine 的首字母,它代表一个工作线程,或者说系统线程。G 需要调度到 M 上才能运行,M 是真正工作的人。结构体 m 就是我们常说的 M,它保存了 M 自身使用的栈信息、当前正在 M 上执行的 G 信息、与之绑定的 P 信息……

当 M 没有工作可做的时候,在它休眠前,会“自旋”地来找工作:检查全局队列,查看 network poller,试图执行 gc 任务,或者“偷”工作。

结构体 m 的源码如下:

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// m 代表工作线程,保存了自身使用的栈信息
type m struct {
	// 记录工作线程(也就是内核线程)使用的栈信息。在执行调度代码时需要使用
	// 执行用户 goroutine 代码时,使用用户 goroutine 自己的栈,因此调度时会发生栈的切换
	g0      *g     // goroutine with scheduling stack/
	morebuf gobuf  // gobuf arg to morestack
	divmod  uint32 // div/mod denominator for arm - known to liblink

	// Fields not known to debuggers.
	procid        uint64     // for debuggers, but offset not hard-coded
	gsignal       *g         // signal-handling g
	sigmask       sigset     // storage for saved signal mask
	// 通过 tls 结构体实现 m 与工作线程的绑定
	// 这里是线程本地存储
	tls           [6]uintptr // thread-local storage (for x86 extern register)
	mstartfn      func()
	// 指向正在运行的 gorutine 对象
	curg          *g       // current running goroutine
	caughtsig     guintptr // goroutine running during fatal signal
	// 当前工作线程绑定的 p
	p             puintptr // attached p for executing go code (nil if not executing go code)
	nextp         puintptr
	id            int32
	mallocing     int32
	throwing      int32
	// 该字段不等于空字符串的话,要保持 curg 始终在这个 m 上运行
	preemptoff    string // if != "", keep curg running on this m
	locks         int32
	softfloat     int32
	dying         int32
	profilehz     int32
	helpgc        int32
	// 为 true 时表示当前 m 处于自旋状态,正在从其他线程偷工作
	spinning      bool // m is out of work and is actively looking for work
	// m 正阻塞在 note 上
	blocked       bool // m is blocked on a note
	// m 正在执行 write barrier
	inwb          bool // m is executing a write barrier
	newSigstack   bool // minit on C thread called sigaltstack
	printlock     int8
	// 正在执行 cgo 调用
	incgo         bool // m is executing a cgo call
	fastrand      uint32
	// cgo 调用总计数
	ncgocall      uint64      // number of cgo calls in total
	ncgo          int32       // number of cgo calls currently in progress
	cgoCallersUse uint32      // if non-zero, cgoCallers in use temporarily
	cgoCallers    *cgoCallers // cgo traceback if crashing in cgo call
	// 没有 goroutine 需要运行时,工作线程睡眠在这个 park 成员上,
	// 其它线程通过这个 park 唤醒该工作线程
	park          note
	// 记录所有工作线程的链表
	alllink       *m // on allm
	schedlink     muintptr
	mcache        *mcache
	lockedg       *g
	createstack   [32]uintptr // stack that created this thread.
	freglo        [16]uint32  // d[i] lsb and f[i]
	freghi        [16]uint32  // d[i] msb and f[i+16]
	fflag         uint32      // floating point compare flags
	locked        uint32      // tracking for lockosthread
	// 正在等待锁的下一个 m
	nextwaitm     uintptr     // next m waiting for lock
	needextram    bool
	traceback     uint8
	waitunlockf   unsafe.Pointer // todo go func(*g, unsafe.pointer) bool
	waitlock      unsafe.Pointer
	waittraceev   byte
	waittraceskip int
	startingtrace bool
	syscalltick   uint32
	// 工作线程 id
	thread        uintptr // thread handle

	// these are here because they are too large to be on the stack
	// of low-level NOSPLIT functions.
	libcall   libcall
	libcallpc uintptr // for cpu profiler
	libcallsp uintptr
	libcallg  guintptr
	syscall   libcall // stores syscall parameters on windows

	mOS
}

再来看 P,取 processor 的首字母,为 M 的执行提供“上下文”,保存 M 执行 G 时的一些资源,例如本地可运行 G 队列,memeory cache 等。

一个 M 只有绑定 P 才能执行 goroutine,当 M 被阻塞时,整个 P 会被传递给其他 M ,或者说整个 P 被接管。

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// p 保存 go 运行时所必须的资源
type p struct {
	lock mutex

	// 在 allp 中的索引
	id          int32
	status      uint32 // one of pidle/prunning/...
	link        puintptr
	// 每次调用 schedule 时会加一
	schedtick   uint32
	// 每次系统调用时加一
	syscalltick uint32
	// 用于 sysmon 线程记录被监控 p 的系统调用时间和运行时间
	sysmontick  sysmontick // last tick observed by sysmon
	// 指向绑定的 m,如果 p 是 idle 的话,那这个指针是 nil
	m           muintptr   // back-link to associated m (nil if idle)
	mcache      *mcache
	racectx     uintptr

	deferpool    [5][]*_defer // pool of available defer structs of different sizes (see panic.go)
	deferpoolbuf [5][32]*_defer

	// Cache of goroutine ids, amortizes accesses to runtime·sched.goidgen.
	goidcache    uint64
	goidcacheend uint64

	// Queue of runnable goroutines. Accessed without lock.
	// 本地可运行的队列,不用通过锁即可访问
	runqhead uint32 // 队列头
	runqtail uint32 // 队列尾
	// 使用数组实现的循环队列
	runq     [256]guintptr
	
	// runnext 非空时,代表的是一个 runnable 状态的 G,
	// 这个 G 被 当前 G 修改为 ready 状态,相比 runq 中的 G 有更高的优先级。
	// 如果当前 G 还有剩余的可用时间,那么就应该运行这个 G
	// 运行之后,该 G 会继承当前 G 的剩余时间
	runnext guintptr

	// Available G's (status == Gdead)
	// 空闲的 g
	gfree    *g
	gfreecnt int32

	sudogcache []*sudog
	sudogbuf   [128]*sudog

	tracebuf traceBufPtr
	traceSwept, traceReclaimed uintptr

	palloc persistentAlloc // per-P to avoid mutex

	// Per-P GC state
	gcAssistTime     int64 // Nanoseconds in assistAlloc
	gcBgMarkWorker   guintptr
	gcMarkWorkerMode gcMarkWorkerMode
	runSafePointFn uint32 // if 1, run sched.safePointFn at next safe point

	pad [sys.CacheLineSize]byte
}

GPM 三足鼎力,共同成就 Go scheduler。G 需要在 M 上才能运行,M 依赖 P 提供的资源,P 则持有待运行的 G。你中有我,我中有你。

描述三者的关系:

曹大 golang notes GPM 三者关系

M 会从与它绑定的 P 的本地队列获取可运行的 G,也会从 network poller 里获取可运行的 G,还会从其他 P 偷 G。

最后我们从宏观上总结一下 GPM,这篇文章尝试从它们的状态流转角度总结。

首先是 G 的状态流转:

G 的状态流转图

说明一下,上图省略了一些垃圾回收的状态。

接着是 P 的状态流转:

P 的状态流转图

通常情况下(在程序运行时不调整 P 的个数),P 只会在上图中的四种状态下进行切换。 当程序刚开始运行进行初始化时,所有的 P 都处于 _Pgcstop 状态, 随着 P 的初始化(runtime.procresize),会被置于 _Pidle

当 M 需要运行时,会 runtime.acquirep 来使 P 变成 Prunning 状态,并通过 runtime.releasep 来释放。

当 G 执行时需要进入系统调用,P 会被设置为 _Psyscall, 如果这个时候被系统监控抢夺(runtime.retake),则 P 会被重新修改为 _Pidle

如果在程序运行中发生 GC,则 P 会被设置为 _Pgcstop, 并在 runtime.startTheWorld 时重新调整为 _Prunning

最后,我们来看 M 的状态变化:

M 的状态流转图

M 只有自旋和非自旋两种状态。自旋的时候,会努力找工作;找不到的时候会进入非自旋状态,之后会休眠,直到有工作需要处理时,被其他工作线程唤醒,又进入自旋状态。