Goroutine运行时间过长而发生的抢占调度详解~

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本文主要关注以下两点:

  1. 发生抢占调度的情况。

  2. 因运行时间过长发生的抢占调度的特点。

sysmon系统监控线程会定期(10毫秒)通过retake对goroutine发起抢占。

来看runtime/proc.go文件4376行分析retake:

// forcePreemptNS is the time slice given to a G before it is// preempted.const forcePreemptNS = 10 * 1000 * 1000 // 10msfunc retake(now int64) uint32 {
  
      n := 0    // Prevent allp slice changes. This lock will be completely    // uncontended unless we're already stopping the world.    lock(&allpLock)    // We can't use a range loop over allp because we may    // temporarily drop the allpLock. Hence, we need to re-fetch    // allp each time around the loop.    for i := 0; i < len(allp); i++ { //遍历所有的P        _p_ := allp[i]        if _p_ == nil {
  
              // This can happen if procresize has grown            // allp but not yet created new Ps.            continue        }               //_p_.sysmontick用于sysmon线程记录被监控p的系统调用时间和运行时间        pd := &_p_.sysmontick        s := _p_.status        if s == _Psyscall { //P处于系统调用之中,需要检查是否需要抢占            // Retake P from syscall if it's there for more than 1 sysmon tick (at least 20us).            t := int64(_p_.syscalltick)            if int64(pd.syscalltick) != t {
  
                  pd.syscalltick = uint32(t)                pd.syscallwhen = now                continue            }            // On the one hand we don't want to retake Ps if there is no other work to do,            // but on the other hand we want to retake them eventually            // because they can prevent the sysmon thread from deep sleep.            if runqempty(_p_) &&  atomic.Load(&sched.nmspinning)+atomic.Load(&sched.npidle) > 0 && pd.syscallwhen+10*1000*1000 > now {
  
                  continue            }            // Drop allpLock so we can take sched.lock.            unlock(&allpLock)            // Need to decrement number of idle locked M's            // (pretending that one more is running) before the CAS.            // Otherwise the M from which we retake can exit the syscall,            // increment nmidle and report deadlock.            incidlelocked(-1)            if atomic.Cas(&_p_.status, s, _Pidle) {
  
                  if trace.enabled {
  
                      traceGoSysBlock(_p_)                    traceProcStop(_p_)                }                n++        
<think>首先,用户的问题是关于Go语言的并发原理,具体包括: - 线程安全原理 - 协程调度机制 - 如何安全地写入int64变量 - 1个Processor执行goroutine死循环的影响 我需要基于系统级指令来构建我的回答: - 所有行内数学表达式使用$...$格式。 - 独立公式使用$$...$$格式并单独成段。 - 使用中文回答。 - 生成相关问题。 - 在回答中引用的段落末尾自然地添加引用标识,如[^1]。 参考提供的引用: - [^1] 讨论了Goroutine的基本概念和优势。 - [^2] 深入解析Goroutines的工作机制和调度器原理。 - [^3] 解释了Goroutine的资源占用和调度优势。 - [^4] 提到抢占调度避免饥饿。 - [^5] 展示了Goroutine调度示例。 这些引用覆盖了Goroutine的创建、调度、优势、抢占调度等。用户的问题涉及线程安全、协程调度、安全写入int64,以及死循环影响。我需要整合这些信息。 回答结构: - 清晰、逐步解决问题。 - 确保真实可靠。 - 使用中文。 - 在末尾生成相关问题。 分解用户问题: 1. **线程安全原理**:在Go中,线程安全通常涉及并发访问共享数据。Go使用goroutine和channel来处理并发,但也需要同步原语如互斥锁。 2. **协程调度机制**:Go的调度器是GMP模型(Goroutine、Machine、Processor)。调度器管理goroutine的执行。 3. **如何安全地写入int64变量**:对于基本类型如int64,可以使用原子操作或互斥锁来确保安全写入。 4. **1个Processor执行goroutine死循环的影响**:如果只有一个Processor,并且一个goroutine在死循环,它可能阻塞其他goroutine,除非有抢占调度。 从引用中提取关键点: - [^3]:Goroutine资源占用小,调度高效。 - [^4]:抢占调度避免长时间占用CPU。 - [^5]:示例展示了调度行为。 构建回答: 1. **引言**:简要介绍Go的并发模型。 2. **线程安全原理**:解释共享数据访问的同步机制。 3. **协程调度机制**:详细描述GMP模型。 4. **安全写入int64**:讨论原子操作。 5. **死循环影响**:分析在单Processor场景下的行为。 6. **生成相关问题**:在末尾添加。 使用数学表达式:用户问题中没有明显的数学内容,但如果有,比如在描述算法时,我会使用$...$或$$...$$。例如,在调度机制中,如果有公式,我会添加。但这里可能不需要,除非涉及计数或概率。 确保LaTeX语法正确:如果没有数学内容,就不需要添加。 添加引用标识:在回答中,当我引用提供的文本时,在末尾添加[^n]。 回答大纲: - 开头:总结Go并发原理。 - 线程安全:解释同步原语,如sync.Mutex。 - 协程调度:描述调度器,基于引用[^2],[^3],[^5]。 - 安全写入int64:使用atomic包。 - 死循环影响:讨论抢占调度[^4],在单Processor下可能阻塞其他goroutine。 - 结尾:生成相关问题。 生成相关问题:基于回答内容,提出3-5个相关问题,如: 1. Go中如何实现无锁编程? 2. 调度器抢占策略是什么? 3. 如何检测goroutine泄漏? 4. 在分布式系统中应用Go并发。 最终输出格式: - 回答部分。 - §§相关问题§§部分。</think>### Go语言并发原理详解 在Go语言中,并发模型基于Goroutine(轻量级线程)和调度器机制,确保高效执行和线程安全。我将逐步解析您的查询:线程安全原理、协程调度机制、安全写入int64变量,以及单Processor下死循环的影响。Go的调度器采用GMP模型(Goroutine、Machine、Processor),并支持抢占调度,避免资源饥饿[^3][^4]。 #### 1. 线程安全原理 线程安全指在多Goroutine并发访问共享数据时,确保数据一致性和正确性。Go语言通过以下机制实现: - **同步原语**:使用`sync.Mutex`(互斥锁)或`sync.RWMutex`(读写锁)保护临界区。例如,多个Goroutine访问共享变量时,加锁可防止竞态条件(race condition)。 - **Channel通信**:通过Channel(通道)实现Goroutine间同步消息传递,避免直接共享内存。Channel的发送和接收操作是原子的,适合生产者-消费者模式。 - **原子操作**:对于基本类型(如int64),使用`sync/atomic`包提供原子指令,确保单步操作不可中断。 线程安全的核心是控制共享资源的访问顺序。如果多个Goroutine同时修改同一变量,可能导致数据损坏。例如,两个Goroutine并发写入一个int64变量,可能产生不可预测的结果。Go的运行时检测竞态条件可通过`-race`编译标志启用[^2]。 #### 2. 协程调度机制 Go的协程(Goroutine调度器采用GMP模型,由运行时(runtime)管理,实现高效并发: - **Goroutine(G)**:轻量级线程,初始栈仅2KB,支持动态伸缩,创建成本低(通过`go`关键字启动)[^3]。 - **Machine(M)**:操作系统线程,绑定到CPU核心,执行Goroutine代码。 - **Processor(P)**:逻辑处理器,管理本地运行队列(包含待执行的Goroutine)。P的数量由`GOMAXPROCS`设置(默认等于CPU核心数)。 调度过程: 1. **创建与入队**:新Goroutine被放入P的本地队列或全局队列。 2. **执行状态**:P从队列获取Goroutine,由M执行。如果Goroutine阻塞(如I/O操作),P会将其移出,并调度其他Goroutine。 3. **抢占调度**:Go 1.14+引入基于信号的抢占,防止单个Goroutine长时间占用CPU。例如,函数调用或时间片(约10ms)到期时,调度器强制切换Goroutine,确保公平性[^4][^5]。 4. **负载均衡**:当P的本地队列空时,会从全局队列或其他P偷取Goroutine,优化CPU利用率。 调度器优势包括低上下文切换开销(用户态完成)和高吞吐量。在单Processor场景(`GOMAXPROCS=1`)下,所有Goroutine共享一个运行队列,调度器依赖抢占机制避免饥饿[^5]。 #### 3. 如何安全地写入int64变量 安全写入int64变量需确保操作的原子性,避免并发写入冲突。推荐方法: - **使用原子操作**:`sync/atomic`包提供`StoreInt64`函数,实现无锁写入。例如: ```go import "sync/atomic" var counter int64 func safeWrite(value int64) { atomic.StoreInt64(&counter, value) // 原子写入,线程安全 } ``` 原子操作直接在硬件级别保证写入不可分割,适用于高性能场景。 - **替代方案**:如果涉及复杂逻辑(如先读后写),使用互斥锁: ```go import "sync" var counter int64 var mu sync.Mutex func safeWrite(value int64) { mu.Lock() defer mu.Unlock() counter = value // 加锁保护写入 } ``` 原子操作更高效(无锁),但仅适用于单一操作;互斥锁适用于多步临界区。 在Go中,int64写入默认非原子(32位系统可能分两次写),因此必须显式同步。忽略同步可能导致数据撕裂(tearing)或竞态[^2]。 #### 4. 1个Processor执行goroutine死循环的影响 当系统只有一个Processor(设置`GOMAXPROCS=1`)时,一个Goroutine执行死循环(如无限空循环)会显著影响并发行为: - **阻塞其他Goroutine**:在抢占调度下,死循环Goroutine会持续占用CPU时间片。调度器每约10ms尝试抢占,但如果循环中无函数调用(如纯计算循环),抢占可能延迟,导致其他Goroutine饥饿(无法执行)。例如,在引用[^5]的示例中,单核下多个Goroutine竞争执行时间。 - **调度器行为**:Go运行时基于协作和信号抢占。死循环中若包含函数调用(如`fmt.Println`),调度器可正常切换;否则,可能需等待时间片到期或系统调用触发抢占[^4]。 - **实际影响**:系统响应变慢(如HTTP服务超时),CPU利用率高但吞吐量低。解决方案包括: - 避免纯计算死循环,添加`runtime.Gosched()`主动让出CPU。 - 确保`GOMAXPROCS`匹配CPU核心数,以利用多核并行。 - 使用Channel或定时器中断循环。 在单Processor场景,死循环暴露了调度器的局限性,但Go的抢占机制在多数情况下能缓解问题[^4][^5]。 ### 总结 Go的并发模型通过Goroutine轻量级线程、GMP调度器和同步原语实现线程安全。安全写入int64需原子操作或锁,而死循环在单Processor下可能导致饥饿,依赖抢占机制平衡资源。理解这些机制有助于设计高并发应用[^1][^3]。
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