Golang-GMP调度器

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学习刘丹冰老师的：第1讲-课程阶段目标_哔哩哔哩_bilibili 学习笔记
参考：

  1. 2、Golang的协程调度器原理及GMP设计思想 (yuque.com)
  2. Go协程模型——GMP模型 - 掘金 (juejin.cn)
  3. go/proc.go· golang/go · GitHub

并发并行

并发

多个程序在一段重叠的时间段中开始、运行与结束，并没有在任何一个时刻同时在执行，同一时刻只有一个程序在执行。

并行

同一个时刻，存在两个以上任务在同时运行。

OS分类

单进程OS

面临两个问题：

  • 只能一次处理一个任务
  • 进程进行IO等系统调用会导致CPU空闲阻塞

多线程多进程OS

为了解决上述两个问题，操作系统通过比如实现CPU时间片切换完成宏观并发的系统调用需求，或者通过其他的任务调度方式进行任务调度。调度方式如下所示：

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CPU在多个线程之间实现时间片切换，来完成多个任务的调度，实现并发执行的效果，此时宏观上看其实现了并行的效果。但是伴随着CPU调度任务的增多，进程占用资源的增长，形如下图会产生系统上下文线程切换。

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线程的创建、切换、销毁过程中需要保存或者设置相关信息（切换上下文、堆栈、函数调用变量、），当进程增多时对于CPU的任务调度消耗较大。并且当多个线程程序进行运行的时候往往伴随着锁的抢占，共享资源的获取也会消耗大量的CPU时间。

进程 && 线程 && 协程

在现代操作系统中，进程、线程和协程都需要占用一定的空间大小。

  • 进程是操作系统中的基本执行单元，需要分配一定的内存空间来存储程序代码、数据、堆栈等信息，进程使用的空间大小取决于程序的规模和运行时所需的资源。
  • 线程是进程的子执行单元，它使用进程的内存空间，通常只需要额外的堆栈空间。
  • 协程是一种更为轻量级的执行单元，它使用的空间比线程更少，通常只需要保存当前执行状态的相关信息，如CPU寄存器值、调用栈、堆栈等。协程的大小取决于其保存的状态信息的大小。
    占用空间大小的大小顺序是进程 > 线程 > 协程。

目前互联网高并发场景出现频次逐年增加，因此比如一个定时的任务，每个任务创建一个线程去处理是不现实的，往往大量线程创建会占用巨量内存数据，对于系统性能要求较高。以及线程之间频繁的上下文切换也会导致运行效率降低。

对于线程而言，在Linux系统中分为用户态和内核态，Linux核心执行过程中，执行对应的PCB（进程控制块）。因此对于CPU而言并不知道执行的线程是用户线程还是内核线程，均会采用时间片调度进行线程执行。

用户态线程是由操作系统通过线程库进行调度和管理的，而协程则是由应用程序自己进行管理和调度的。在协程中，可以手动调用切换操作，实现协作式任务调度，而用户态线程则需要使用系统调用进行切换，实现抢夺式任务调度。协程通常不需要共享内核资源，而用户态线程需要共享内核资源。

协程调度关系

下面将这种协程类比为用户态线程

1:1

每一个协程调度器绑定一个内核线程执行，每一个协程调度器绑定一个协程
那么此时所有的协程调取其实与线程调度是一致的，均需要由CPU进行调度实现，回归传统，并不能节省CPU切换时间。

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N:1

N个协程绑定1个线程：协程为协作式，协程让出CPU后下一个才会执行

  • 优点：
    • 协程在用户态线程即完成切换，不会陷入到内核态。
    • 创建多个协程的内存消耗小与多个线程创建
  • 缺点：
    • 不能较好的使用多核心多线程加速处理的能力
    • 如果某一个协程发生阻塞，会影响后续协程的执行。

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M:N

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。

通过这种M:N的关系可以解决上面单一协程阻塞，之后后续协程无法执行问题，其次也可以解决由于线程频繁切换导致的时间、资源消耗问题。

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Golang协程

介绍

Golang中，协程（Goroutine）是一种轻量级的线程实现，它可以和其他协程并发运行，而不需要显式地管理线程和内存。协程可以看作是一种特殊的函数，它可以被异步地调用，并且可以在不同的时间和不同的线程中执行。在Golang中，协程的创建和管理非常简单，可以通过go关键字来启动一个新的协程，例如：

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go func() {
  // This code will run as a new Goroutine
}()

这会异步地启动一个新的协程，执行传递给 go 关键字的函数体。通过协程，我们可以很方便地并发地执行一些任务，而不需要手动管理线程和锁等同步机制，从而提高程序的性能和可读性。

特点：

  • 占用内存小kb级别
  • 由运行时runtime灵活调度，可伸缩数量

传统Golang协程调度器

传统情况下：当任务执行过程中会创建对应的G，每个G实际上需要物理的M来进行执行，因此每一个M都会去全局队列中获取G来进行执行，这个过程中需要反复对于全局队列进行解锁、加锁操做来保证同步互斥。
缺点：

  • 创建、销毁、调度G会带来激烈锁竞争
  • 在执行G的时候，这个G创建了一个新的G1，此时本身为了减小相同的堆栈信息反复创建所消耗内存空间，里应当将G1由M执行，但是按照这种调度设计，只能将G1在此放入全局队列中，等待下次被调度，会导致局部性较差。
  • 因为每个M都只执行一个G之后就需要进行切换去全局G队列中获取，因此其带来的M线程切换较为频繁消耗较大。

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GMP模型

含义

  • G：（goroutine）
  • P：（Golang逻辑处理器）,其中还包含一个Gorountine本地队列，用于保存此时G的运行资源以及G队列
  • M：（Machine）OS线程

结构

  1. G
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/// runtime/runtime2.go 关键字段
type g struct {
    stack       stack   // g自己的栈

    m            *m      // 执行当前g的m
    sched        gobuf   // 保存了g的现场，goroutine切换时通过它来恢复
    atomicstatus uint32  // g的状态Gidle,Grunnable,Grunning,Gsyscall,Gwaiting,Gdead
    goid         int64
    schedlink    guintptr // 下一个g, g链表

    preempt       bool //抢占标记

    lockedm        muintptr // 锁定的M,g中断恢复指定M执行
    gopc           uintptr  // 创建该goroutine的指令地址
    startpc        uintptr  // goroutine 函数的指令地址
}
  1. M
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/// runtime/runtime2.go 关键字段
type m struct {
    g0      *g     // g0, 每个M都有自己独有的g0

    curg          *g       // 当前正在运行的g
    p             puintptr // 当前用于的p
    nextp         puintptr // 当m被唤醒时，首先拥有这个p
    id            int64
    spinning      bool // 是否处于自旋

    park          note
    alllink       *m // on allm
    schedlink     muintptr // 下一个m, m链表
    mcache        *mcache  // 内存分配
    lockedg       guintptr // 和 G 的lockedm对应
    freelink      *m // on sched.freem

}
  1. P
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/// runtime/runtime2.go 关键字段
type p struct {
    id          int32
    status      uint32 // 状态
    link        puintptr // 下一个P, P链表
    m           muintptr // 拥有这个P的M
    mcache      *mcache  

    // P本地runnable状态的G队列
    runqhead uint32
    runqtail uint32
    runq     [256]guintptr
    
    runnext guintptr // 一个比runq优先级更高的runnable G

    // 状态为dead的G链表，在获取G时会从这里面获取
    gFree struct {
        gList
        n int32
    }

    gcBgMarkWorker       guintptr // (atomic)
    gcw gcWork

}

GMP调度器

结构

  1. 全局G队列：存放（Runable）等待运行的G
  2. P本地队列：存放当前P待执行的等待运行的G，最大限制为256个（默认，长期实验得到的）
  3. P的列表：系统中启动时会按照GOMAXPROCS设置最大的P的个数，创建P，可以修改GOMAXPROCS来设置自定义P的个数：export GOMAXPROCS=4 或者代码中设置 runtime.GOMAXPROCS(n)。
  4. M的列表：M列表存储对应休眠的M，当被某一个G唤醒需要抢占P队列的时候，先从休眠中进行获取M，当一个M阻塞的时候会重新创建一个新的M。与此之外Go程序启动时，会设置M的最大数量，默认10000。runtime/debug 包中的 SetMaxThreads() 函数用于设置最大 M（操作系统线程） 的数量。它可以接受一个整数 n 作为参数，代表最大 M 的数量。这个函数主要用于控制 Go 程序中的并发度，以及减小资源占用，避免对系统造成负担。
    注意：
  5. 这个函数只能限制 M 的最大数量，不能保证运行时实际存在的 M 数量会等于设定的值。
  6. 最大 M 的数量不会对 P 的数量产生影响，P 的数量由 runtime.GOMAXPROCS() 函数控制。
  7. SetMaxThreads() 函数的实际效果还需要取决于程序本身的特点，如 goroutine 数量、任务类型、代码性能等等，因此需要根据具体情况进行调整。

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上图中，每个P绑定一个M，M来实际运行P队列中的G进行执行，而M的执行调度，由OS进行实际调用CPU进行分配。

创建时机：

  1. P在运行时候之间创建GOMAXPROC个数。
  2. M在出现M不足以关联P的时候会自动创建，当M全部被阻塞，也会自动创建新的M。

策略

线程复用

目的：降低线程频繁切换带来的CPU消耗

Work Stealing 偷取

一般情况下，当P本地队列为空的时候，P首先会尝试从全局队列中获取待执行的G加入到自己的P本地队列中交给M执行。当全局队列为空的时候，为保证执行效率，P将会从其他的P的本地队列中偷取等待执行的G加入自己的本地队列，交给M进行执行。 —— “本地队列->全局队列->network poll->work stealing”

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Hand Off 脱离

如下图，当G1发生系统syscall或者阻塞操做的时候，P会创建或者唤醒一个M3线程，之后与M1进行解绑，将P转移到新的M3中进行处理。此时M1绑定对应阻塞的G1，进行阻塞操做。此时物理CPU将会由M1、M2 -> M2、M3。当G1阻塞完成之后，G1的M会主动搜寻原先绑定的P，如果此时P未被绑定，那么将获取P进行绑定。如P已经被绑定，那么将会将G1加入全局的G队列中等待调度，并且M1加入到全局M休眠队列中。

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利用并行

通过GOMAXPROC设置对应的并行P的个数，保证并行GOMAXPROC个线程在CPU上进行任务调度。

抢占

传统协程调度方式为，传统协程执行完或者主动释放CPU之后才会调度到另一个协程进行处理，因此会导致部分协程执行分配执行时间不均。Go是由抢占式调度（preemptive scheduling）来实现 goroutine 的并发和并行。，设置最大执行时间，当超时之后立马抢占CPU处理。这意味着，在运行多个 goroutine 时，调度器可以在任何时候暂停当前 goroutine 的执行，并开始执行其他的 goroutine。当其他 goroutine 执行完成或等待 I/O 等操作时，调度器再重新切换回之前暂停的 goroutine 并继续执行。
抢占式调度机制使 Go 可以充分利用多核 CPU 的并行处理能力，同时保证了 goroutine 的执行顺序。这也是 Go 语言的一个重要特点，使其在高并发场景下表现得非常出色。
Go 的运行时（runtime）会在代码执行过程中定期检查 goroutine 的状态并进行调度切换，这个切换过程是随机发生的，也就是说，一个 goroutine 不能确信自己能够一直占有 CPU 的执行权。当某个 goroutine 执行的时间过长，或发生 I/O 等等阻塞操作时，Go 调度器会主动将其暂停并切换到其他的 goroutine，这使得代码的执行过程像是在多个 goroutine 之间轮流交替执行一样。

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调度场景

G1 Make G2

在G1协程中，运行创建了G2协程，此时由于G1由M1执行，并且G2由G1创建，可能此时G2中与G1部分函数堆栈存在强关联信息，因此优先将G2创建在M1的P本地队列中。

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G1执行结束

当G1运行结束之后，需要调用G2进行执行的时候，首先G1通过runtime.Goexit() 退出协程，之后M1调用自己本身的G0进行任务调度，调度P中等待执行的G2到M上进行执行。此时M并不需要进行切换，因此降低了线程级别切换的CPU耗时。

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G2创建多个G && 后续G的创建

假设每个P的本地队列只能存3个G。G2要创建了6个G，前3个G（G3, G4, G5）已经加入p1的本地队列，p1本地队列满了。此时，Go调度器，将P1满的队列的前一半进行打乱直接加入全局队列，并且将重新创建的G7也加入到全局队列。

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G2创建G8（前面基础上）

此时由于G3,G4,G7均存储在全局队列上，P1余处空间存储，因此重新创建的G8将直接存放于P1的本地队列上。（G8为G2创建的，因此放到M1的P1的本地队列）

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唤醒休眠M（自旋线程）

当系统执行M1中的P1中的G时，G将尝试唤醒额外的M（休眠队列中必须存在休眠的M）进行尝试绑定P进行绑定，如果不存在则继续休眠。绑定成功之后M2将调用自己的G0，并且此时P2中不存在任何的G，此时这个状态叫“自旋线程”不断的搜索G进行执行。

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被唤醒的M2从全局队列获取G

自旋线程创建之后，首先从全局队列搜索G，全局队列中不存在的时候从其他P中窃取。
从全局队列获取的数量为：min(len(GQ) / GOMAXPROCS + 1, cap(LQ) / 2 )
当获取到G的时候，由G0进行调度运行。

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  • GQ：全局队列长度
  • GOMAXPROCS：最大P个数

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源码位置：globrunqget获取全局G方法

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// Try get a batch of G's from the global runnable queue.
// sched.lock must be held.
func globrunqget(pp *p, max int32) *g {
	// 断言是否存在调度器锁
	assertLockHeld(&sched.lock)
	// 全局队列没有就返回
	if sched.runqsize == 0 {
		return nil
	}
	// 计算n min(len(GQ) / GOMAXPROCS +  1,  cap(LQ) / 2 )
	n := sched.runqsize/gomaxprocs + 1
	if n > sched.runqsize {
		n = sched.runqsize
	}
	// 如果设置了 max，并且 n 超过了 max，则将 n 设置为 max
	if max > 0 && n > max {
		n = max
	}
	// 确保将获取的 G 数量不超过本地运行队列的一半
	if n > int32(len(pp.runq))/2 {
		n = int32(len(pp.runq)) / 2
	}
	// 更新大小为弹出n个之后的任务大小长度
	sched.runqsize -= n
	// 将全局运行队列中的第一个 G 弹出来，存储到 gp 变量中
	gp := sched.runq.pop()
	// 已弹出一个，n-1
	n--
	// 依次弹出，并插入本地运行队列
	for ; n > 0; n-- {
		gp1 := sched.runq.pop()
		// 加入本地的P队列
		runqput(pp, gp1, false)
	}
	// 返回弹出的队列
	return gp
}
  • runq：全局G队列
  • pp *p ：本地P指针，访问P队列
  • max：设置的获取G数量，未设置就是0
  • sched.lock: 是调度器的锁。在修改全局运行队列中的 goroutine 时必须获取此锁以保证线程安全性。
  • sched.runqsize: 是全局运行队列中 goroutine 的数量。
  • gomaxprocs: 是配置的最大 CPU 核心数，即 GOMAXPROCS 环境变量的值。
  • len(pp.runq): 是本地运行队列中 goroutine 的数量。
  • sched.runq.pop(): 是从全局运行队列尾部弹出一个 goroutine，并返回该 goroutine 的指针。
  • runqput(pp, gp1, false): 是将一个 goroutine 插入到本地 P 的运行队列尾部。

全局队列为空-M2从M1中偷G

当全局队列中已经没有G，M2将执行偷取的操做，从其他P队列中进行偷取一半的G到本地队列，从队列尾部获取。

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源码位置：偷取G

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// stealWork attempts to steal a runnable goroutine or timer from any P.
//
// If newWork is true, new work may have been readied.
//
// If now is not 0 it is the current time. stealWork returns the passed time or
// the current time if now was passed as 0.
func stealWork(now int64) (gp *g, inheritTime bool, rnow, pollUntil int64, newWork bool) {
	pp := getg().m.p.ptr()

	ranTimer := false

	const stealTries = 4
	for i := 0; i < stealTries; i++ {
		stealTimersOrRunNextG := i == stealTries-1

		for enum := stealOrder.start(fastrand()); !enum.done(); enum.next() {
			if sched.gcwaiting.Load() {
				// GC work may be available.
				return nil, false, now, pollUntil, true
			}
			p2 := allp[enum.position()]
			if pp == p2 {
				continue
			}

			// Steal timers from p2. This call to checkTimers is the only place
			// where we might hold a lock on a different P's timers. We do this
			// once on the last pass before checking runnext because stealing
			// from the other P's runnext should be the last resort, so if there
			// are timers to steal do that first.
			//
			// We only check timers on one of the stealing iterations because
			// the time stored in now doesn't change in this loop and checking
			// the timers for each P more than once with the same value of now
			// is probably a waste of time.
			//
			// timerpMask tells us whether the P may have timers at all. If it
			// can't, no need to check at all.
			if stealTimersOrRunNextG && timerpMask.read(enum.position()) {
				tnow, w, ran := checkTimers(p2, now)
				now = tnow
				if w != 0 && (pollUntil == 0 || w < pollUntil) {
					pollUntil = w
				}
				if ran {
					// Running the timers may have
					// made an arbitrary number of G's
					// ready and added them to this P's
					// local run queue. That invalidates
					// the assumption of runqsteal
					// that it always has room to add
					// stolen G's. So check now if there
					// is a local G to run.
					if gp, inheritTime := runqget(pp); gp != nil {
						return gp, inheritTime, now, pollUntil, ranTimer
					}
					ranTimer = true
				}
			}

			// Don't bother to attempt to steal if p2 is idle.
			if !idlepMask.read(enum.position()) {
				if gp := runqsteal(pp, p2, stealTimersOrRunNextG); gp != nil {
					return gp, false, now, pollUntil, ranTimer
				}
			}
		}
	}

	// No goroutines found to steal. Regardless, running a timer may have
	// made some goroutine ready that we missed. Indicate the next timer to
	// wait for.
	return nil, false, now, pollUntil, ranTimer
}

自旋线程的最大限制

当G2，G8分别在M1、M2上执行，全局队列中G被执行结束之后，会出现多个自旋线程如M3、M4。这些自旋线程受到GOMAXPROCS的限制，如果这里直接进行销毁M3、M4则可能会出现线程下次调度使用时候的时间、空间消耗（创建、调度、存储）过大，为了节省CPU资源这里采用自旋降低消耗。

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G调用过程出现阻塞情况

当M1上的P1执G2的时候，M2上的P2执行G8的时候，G8创建了G9，创建成功之后G8出现阻塞，此时M2与P2解绑，G8与M2绑定进行阻塞，此时的P2调度会重新在休眠线程队列中唤醒一个M5进行执行目标P2中的G。如果全局的休眠线程队列中不存在休眠的M，这个时候P进入空闲P等待列表，等待M与其进行绑定执行。

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当G8阻塞结束之后

系统G8进行阻塞执行之后，会尝试找回原有的P2进行绑定，当无法获取的时候，会重新获取空闲的P，如果没有空闲的P，这个时候G8会重新被标记为可执行态，加入全局G队列等待P进行抢占。此时M2没有需要执行的P与阻塞的G因此M2会被加入到休眠的线程队列中。等待P进行调度执行。

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Go Func() 基本执行流程

当通过Go启动一个协程的时候，会创建一个G加入局部的P本地队列，之后若本地队列已满则执行加入全局G队列，当M1的本地队列为空时，从全局G队列中获取G，若全局也为空则进行work Stealing进行偷取，当M1中的P1中存在G的时候进行调用G在M1上执行，如果发生阻塞，则M与P进行解绑，P中若存在G则会唤醒休眠M中的M进行调度，若无则加入休眠P等待M调度。

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调度器生命周期

  • M0：启动程序后的编号为0的主线程，这个M对应的实例会在全局变量runtime.m0中，不需要在heap上分配，M0负责执行初始化操作和启动第一个G， 在之后M0就和其他的M一样了。
  • G0：G0是每次启动一个M都会第一个创建的gourtine，G0仅用于负责调度的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。在调度或系统调用时会使用G0的栈空间, 全局变量的G0是M0的G0。

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示例代码：

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package main

import "fmt"

func main() {
    fmt.Println("Hello world")
}
  1. runtime 创建:
    M0（启动进程的主线程runtime.m0不在heap中分配） 负责初始化和启动第一个G，启动成功之后与其他M相同

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  1. 初始化M0、G0、栈、GC创建GOMAXPROCS个P的P列表。

image.png

  1. M0创建第一个Main的G进行执行
  • M0创建MainG后，寻找空闲的P进行绑定加入本地队列

image.png

  • M0开始执行MainG
    当G出现panic/exit时候结束G的执行。

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查看GMP状态

go tool trace

使用go tool trace进行抓取堆栈信息：

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package main

import (
    "os"
    "fmt"
    "runtime/trace"
)

func main() {

    //创建trace文件
    f, err := os.Create("test_trace.out")
    if err != nil {
        panic(err)
    }

    defer f.Close()

    //启动trace goroutine
    err = trace.Start(f)
    if err != nil {
        panic(err)
    }
    defer trace.Stop()

    //main
    fmt.Println("Hello World")
}
  1. 执行代码 go run test.go
  2. 查看执行目录

image.png

  1. 通过go tool trace test_trace.out查看堆栈信息

image.png

访问浏览器端口：http://127.0.0.1:40255

image.png

详细trace：
image.png

可以查看：

  • Gorutine： G信息
  • Heap：堆信息
  • Thread：M信息
    调度器：
  • Proc0：P0
  • Proc1：P1

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GODEBUG=schedtrace=1000运行

GODEBUG：开启调试模式
schedtrace：设置非零数值表示跟踪N个协程调用事件

代码：

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package main

import (
    "fmt"
    "time"
)

func main() {
    for i := 0; i < 5; i++ {
        time.Sleep(time.Second)
        fmt.Println("Hello World")
    }
}
  1. 编译go build test.go
  2. 执行GODEBUG=schedtrace=1000 ./test
  3. 结果：
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    SCHED 0ms: gomaxprocs=20 idleprocs=19 threads=5 spinningthreads=0 idlethreads=3 runqueue=0 [0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0]
    Hello World
    SCHED 1002ms: gomaxprocs=20 idleprocs=20 threads=5 spinningthreads=0 idlethreads=3 runqueue=0 [0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0]
    Hello World
    SCHED 2012ms: gomaxprocs=20 idleprocs=20 threads=5 spinningthreads=0 idlethreads=3 runqueue=0 [0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0]
    Hello World
    SCHED 3019ms: gomaxprocs=20 idleprocs=20 threads=5 spinningthreads=0 idlethreads=3 runqueue=0 [0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0]
    Hello World
    SCHED 4028ms: gomaxprocs=20 idleprocs=20 threads=5 spinningthreads=0 idlethreads=3 runqueue=0 [0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0]
    Hello World

初始最大P为20，空闲的为19，M的初始值为5，自旋的M为0，等待的为3个，运行队列长度为0

  • SCHED：调试信息输出标志字符串，代表本行是goroutine调度器的输出；
  • 0ms：即从程序启动到输出这行日志的时间；
  • gomaxprocs: P的数量，本例有2个P, 因为默认的P的属性是和cpu核心数量默认一致，当然也可以通过GOMAXPROCS来设置；
  • idleprocs: 处于idle状态的P的数量；通过gomaxprocs和idleprocs的差值，我们就可知道执行go代码的P的数量；
  • threads: os threads/M的数量，包含scheduler使用的m数量，加上runtime自用的类似sysmon这样的thread的数量；
  • spinningthreads: 处于自旋状态的os thread数量；
  • idlethread: 处于idle状态的os thread的数量；
  • runqueue=0： Scheduler全局队列中G的数量；
  • [0 0]: 分别为2个P的local queue中的G的数量。