线程模型有哪些？为什么 Go Scheduler 需要实现 M:N 的方案？Go Scheduler 由哪些元素构成呢？

八股文_Go机制 0 122

参考回答

线程模型 是操作系统或编程语言设计中用来管理线程与硬件资源（如 CPU）之间关系的机制，常见的线程模型有以下三种：

1:1 模型：每个用户线程对应一个内核线程。
N:1 模型：多个用户线程对应一个内核线程。
M:N 模型：多个用户线程通过少量内核线程运行。

Go 的调度器（Scheduler）使用 M:N 模型，即将大量的 Goroutine 映射到少量的内核线程上执行。这种设计兼顾了高并发性能和系统资源效率。

Go Scheduler 的组成：
1. G（Goroutine）：表示一个具体的协程，是需要调度的执行单元。
2. M（Machine）：表示内核线程，用于实际执行 Goroutine。
3. P（Processor）：代表逻辑处理器，负责 Goroutine 的分配和执行，与 M 绑定。

详细讲解与拓展

1. 常见线程模型详解

(1) 1:1 模型
– 每个用户线程直接映射为一个内核线程。
– 优点：线程可以并行利用多核 CPU。
– 缺点：线程切换开销大，资源使用率低。

示例：Java 的线程模型。

(2) N:1 模型
– 所有用户线程都由一个内核线程管理，调度在用户态完成。
– 优点：切换效率高，无需操作系统干预。
– 缺点：线程阻塞会导致所有线程阻塞，无法利用多核 CPU。

示例：早期的 Green Thread。

(3) M:N 模型
– M 个内核线程管理 N 个用户线程。
– 优点：结合了 N:1 和 1:1 的优势。能够利用多核 CPU，且切换开销低。
– 缺点：实现复杂，调度器需要高效管理线程。

示例：Go Scheduler、Erlang VM。

2. 为什么 Go Scheduler 选择 M:N 模型？

Go 语言的设计目标是支持 高并发 和 高性能，而 M:N 模型能够平衡资源利用率和调度效率，原因如下：

高并发支持：
Goroutine 是用户态线程，启动成本低，占用内存小（初始 2KB 栈），可以轻松支持数百万级并发。
避免阻塞：
- Goroutine 调度是协作式的，如果某个 Goroutine 阻塞，Go 运行时会将其他 Goroutine 调度到空闲的内核线程运行。
- 这避免了 N:1 模型的 “一阻塞全阻塞” 问题。
多核利用：
- M:N 模型允许多个 Goroutine 在多个内核线程上运行。
- 通过 runtime.GOMAXPROCS 配置，可以有效利用多核 CPU。
调度效率：
- Goroutine 的上下文切换开销低，仅在用户态完成。
- 相比 1:1 模型，减少了频繁的内核切换开销。

3. Go Scheduler 的组成

Go 的调度器由以下三部分组成：

G（Goroutine）
- 表示一个具体的 Goroutine，即需要运行的协程。
- 每个 G 结构体包含：
  - 执行的函数或任务。
  - 栈指针。
  - 状态信息（如是否处于运行、休眠等）。
  - 指向所属 P 的指针。
M（Machine）
- 表示内核线程，是运行 Goroutine 的执行载体。
- 每个 M 绑定一个内核线程，负责执行从 P 中取出的 G。
P（Processor）
- 表示逻辑处理器，是调度的核心单位。
- 每个 P 包含一个 Goroutine 队列，负责管理一组 G。
- P 和 M 一一绑定，每次只能有一个 M 处理 P 中的 Goroutine。
- 通过 runtime.GOMAXPROCS 可以控制 P 的数量（即最大并行度）。

调度过程：
1. M 通过绑定一个 P 获取 Goroutine 队列中的任务。
2. 如果 P 队列为空，P 会从其他 P 的队列窃取任务（Work Stealing）。
3. 如果某个 Goroutine 阻塞，Go 运行时会创建新的 M 或将任务分配给其他 P。

4. Go 调度器的工作流程

简化版的调度流程如下：
1. 创建 Goroutine 时，将其放入 P 的本地队列。
2. M 从绑定的 P 中取出 Goroutine 执行。
3. 如果 Goroutine 阻塞（如 I/O 操作），M 会将其他任务交还给 P，由 P 重新调度。
4. 如果所有本地任务都已执行，P 会从其他 P 的队列中窃取任务（Work Stealing）。
5. 如果没有任务可运行，M 会阻塞或被回收。

总结

线程模型：
- 1:1、N:1 和 M:N 是三种常见线程模型。
- M:N 模型通过将大量用户线程映射到少量内核线程，既支持高并发，又避免阻塞问题。
为什么 Go 使用 M:N 模型：
- 支持高并发。
- 避免阻塞，提高资源利用率。
- 减少切换开销，提高性能。
Go Scheduler 的组成：
- G：Goroutine，任务执行单元。
- M：Machine，内核线程。
- P：Processor，逻辑处理器，负责管理 Goroutine 队列。

这种设计使得 Go 可以高效地处理数百万级并发任务，同时充分利用多核 CPU 的性能。