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GPM

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hello world！

我们一直写 Go 程序，你是否考虑过，一个 hello word！他是如何运行起来的。我们来深挖一波！！

package main

import "fmt"

func main()  {
	fmt.Println("hello world!")
}

这段程序编译后成为为一个可执行文件，执行时候可执行文件被加载到内存中。相信大家在学校里面学过编译原理，一段简单的汇编代码会分成多个段：数据段，代码段，堆栈段，子程序等等。

数据段

对于数据段，有很多重要的全局变量，我们一起来看看。

主协程：g0 与主线程 m0

协程对应的数据结构是 runtime.g，工作线程对应的数据结构是 runtime.m。``

g0 就是主协程对应的 g，与其他协程不同，他的协程栈实际上是在主线程栈上分配的。

m0 是主线程对应的 m。

g0 持有 m0 的指针，m0 也记录着 g0 的指针。一开始 m0 上执行的协程正是 g0。m0 与 g0 就联系起来了。

allgs，allm，allp

allgs 记录着所有的 g。

allm 记录着所有的 m。

allp 记录着所有的 p。

sched

最初 Go 语言的调度模型里面只有 M 和 G，所以会有一个 G run queue 里面都是待执行的 G ，每个 M 来到队列获取一个 G 时候都会加锁。多个 M 会分担多个 G 的任务，途中会因为前面的 M 频繁加锁和解锁而发生等待，影响程序的并发性能。

为了解决这个问题，又引入了一个 P，P 对应的数据结构是 runtime.p。他有一个 runq [256]guintptr ，通过把一个 P 关联到一个 M，这个 M 就可以从 P 的本地 runq 这里获取待执行的 G，不用每次都与其他的 M 在队列中争抢任务了，性能也会提升。

全局 runq 保存在全局变量 sched 中，sched 代表是调度器，对应的数据结构是 runtime.schedt。这里记录着所有空闲的 M，空闲的 P，以及许多与调度相关的内容。

如果一个 P 的本地 runq 已满，那么等待执行的 G 会被放到这个全局 runq 中。M 执行 G 过程如下：

M 会先去执行对应的 P 本地 runq 中待执行的 G，
如果没有的话，再到调度器这里全局 runq 领取任务。
如果也没有了，就会从别的 P 那里分担一部分的 G 过来执行。

代码段

对于这段程序编译成的代码段，程序入口并不是 main.main，不同平台下程序开始进入入口不同。简单的流程如下：

进入后再进行一系列检查与初始化等准备工作后，
当 main.goroutine 创建后会被加入到当前 P 的本地队列中，
然后通过 mstart 函数开启调度循环，队列中只有 main.goroutine 正在等待执行，所以 g0 会切换成 main.goroutine，
执行入口就是 runtime.main，他会做一些准备工作，监控线程，包初始化等，
然后就要调用 main.main 了，终于输出了 hello world！。

在这里只是简单的用一个例子去介绍了一些相关的代码与变量，后续会进行详细解答。

详解 GPM

我们在前面总说 GPM ，那么他们分别代表什么意思呢？

G 代表 Goroutine，Golang 中的协程，通过 Goroutine 封装的代码片段将以协程方式并发执行，是GPM调度器调度的基本单位。
P 代表 Processor，GPM 调度器中关联内核级线程与协程的中间调度器，帮助线程去执行协程的任务。
M 代表 Machine，是内核线程的封装，Goroutine的执行提供了底层线程能力支持。

白话解释：M 需要去执行 G 的任务，为了更高并发执行性能，我们引入 P，来起到帮助作用。

M

我们来看看 M 的结构：

type m struct {
   g0      *g  //g 结构体指针，主协程对应的 g0  
   mstartfn      func() //函数类型，对应着当前内核线程需要执行的 Goroutine 函数片段
   curg          *g      //g 结构体指针，对应着当前该 M 相关联(要执行)的 G。
   p             puintptr  //地址类型，对应着当前该 M 关联的 P。
   nextp         puintptr //地址类型，标识下一个可能与该 M 存在关联的 P。
   oldp          puintptr  //地址类型，记录上一个与该 M 关联的 P。
   lockedg       guintptr //地址类型，标识当前正在锁定该 M 的G，通过 LockOSThread 进行 G 和 M 的锁定，一旦 G 和 M 锁定后，该 G 只可由该 M 执行。
   spinning      bool //布尔类型，表示当前是否正在自旋，自旋则代表当前 M 正在寻找可执行的 G。
   incgo         bool //布尔类型，表示当前是否正在执行 cgo 调用。
   ncgo          int32 //int32类型，表示当前正在执行的 cgo 调用数目。
   // 忽略
 }

P

const (
   _Pidle = iota //当前p尚未与任何m关联，处于空闲状态 ->0
   _Prunning //当前p已经和m关联，并且正在运行g代码 ->1
   _Psyscall  //当前p正在执行系统调用 ->2
   _Pgcstop //当前p需要停止调度，一般在GC前或者刚被创建时 ->3
   _Pdead //当前p已死亡，不会再被调度 ->4
)

type p struct {
   status      uint32  //表示当前P的状态，为上述五个状态之一
   schedtick   uint32  //调度计数器，每被调度一次则自增1
   syscalltick uint32  //系统调用计数器，每进行一次系统调用则自增1
   m           muintptr //即将要关联的m，M的nextp字段对应着该P
   runqhead uint32 //可运行G队列头，标识目前正在运行的G
   runqtail uint32  //可运行G队列尾
   runq     [256]guintptr //可运行的G队列，默认容量为256个G
   runnext guintptr //下一个将要运行的G
   gFree struct { //空闲G列表，存储着状态为Gdead的G，当其数目过多时，将会被转移到调度器全局G列表，用于被其他P再次使用（相当于一个G缓存池）
      gList
      n int32
   }
}

P 的生命周期：

G

const (
   _Gidle = iota //当前 G 刚被分配，还未初始化 ->0
   _Grunnable //正在可运行队列等待运行 ->1
   _Grunning  //正在运行中，执行G函数 ->2
   _Gsyscall  //正在执行系统调用 ->3
   _Gwaiting  //正在被阻塞，一般是该G正在执行网络I/O操作，或正在执行time.Timer、time.Sleep ->4
   _Gmoribund_unused //_Gmoribund_unused is currently unused, but hardcoded in gdb ->5
   _Gdead  //已经使用完正在闲置，放入空闲G列表中，可被再次使用（和P不同，P处于Pdead状态则无法被再次调度） ->6
  _Genqueue_unused //_ Genqueue _ unused 当前未使用。 ->7
   _Gcopystack //表示当前 G 的栈正在被移动，可能是因为栈的收缩或扩容 ->8
   _Gscan         = 0x1000 //表明当前正在进行GC扫描，由于在GC扫描的过程中肯定会处于某个前置状态， 
   _Gscanrunnable = _Gscan + _Grunnable //代表当前 G 正等待运行，同时栈正被 GC 扫描  // 0x1001
   _Gscanrunning  = _Gscan + _Grunning //表示正处于 Grunning状态，同时栈在被 GC 扫描 // 0x1002
   _Gscansyscall  = _Gscan + _Gsyscall //表示正处于 Gwaiting状态，同时栈在被 GC 扫描 // 0x1003
   _Gscanwaiting  = _Gscan + _Gwaiting //表示正处于 Gsyscall状态，同时栈在被 GC 扫描 // 0x1004
    _Gscanpreempted = _Gscan + _Gpreempted // 0x1009
)

type g struct {
   stack       stack   // offset known to runtime/cgo //当前G所被分配的栈内存空间，由lo及hi两个内存指针组成
   stackguard0 uintptr // offset known to liblink g0的最大栈内存地址，当超过了这个数值则需要进行栈扩张
   stackguard1 uintptr //普通用户G的最大栈内存地址，当超过了这个数值则需要进行栈扩张
   m              *m      // current m; offset known to arm liblink 当前关联该G实例的M实例
   sched          gobuf  //记录G上下文环境，用于上下文切换
   atomicstatus   uint32 //G的状态值，表示上述几个状态
   waitreason     waitReason // if status==Gwaiting 处于Gwaiting的原因
   preempt        bool       // preemption signal, duplicates stackguard0 = st 当前G是否可抢占
   startpc        uintptr         // pc of goroutine function 当前G所绑定的函数内存地址
}

G 生命周期：

sched (调度器)

type schedt struct {
   // 全局唯一id
   goidgen  uint64
   // 记录的最后一次从i/o中查询G的时间
   lastpoll uint64
   // 互斥锁 
   lock mutex
   // M的空闲链表，通过m.schedlink组成一个M空闲链表
   midle        muintptr
   // 正处于自旋状态的M数量
   nmidle       int32
   // 已经被锁定且正在自旋的M数量
   nmidlelocked int32
   // 下一个M的id，或者是目前已存在的M数量
   mnext        int64
   // M数量的最大值
   maxmcount    int32
   // 已被释放掉的M数量
   nmfreed      int64
   // 系统所开启的协程数量（非用户协程）
   ngsys uint32
   // 空闲P列表
   pidle      puintptr
   // 空闲的P数量
   npidle     uint32
   // 全局的G队列
   // 根据runqhead可以获取队列头的G及g.schedlink形成G链表
   runqhead guintptr
   runqtail guintptr
   // 全局G队列大小
   runqsize int32
   // 等待释放的M列表
   freem *m
   // 是否需要暂停调度（通常因为GC带来的STW）
   gcwaiting  uint32
   // 需要停止但是仍为停止的P数量
   stopwait   int32
   // 实现stopwait事件通知
   stopnote   note
   // 停止调度期间是否进行系统监控任务
   sysmonwait uint32
   // 实现sysmonwait事件通知
   sysmonnote note
}

【Go语言基础】GPM介绍

GPM

hello world！

详解 GPM

M

P

G

sched (调度器)