Go中的调度器抢占机制与协作式调度

描述
Go调度器的抢占机制是保证Goroutine公平调度的关键特性。在早期版本中，Go采用纯协作式调度，可能导致长时间运行的Goroutine独占线程。现代Go调度器实现了基于信号的抢占，解决了"调度器死锁"和"饥饿"问题。

详细讲解

1. 协作式调度的局限性

func main() {
    runtime.GOMAXPROCS(1) // 单线程模拟
    
    go func() {
        for { // 无限循环，没有调度点
            // 计算密集型任务
        }
    }()
    
    time.Sleep(time.Millisecond)
    println("这行代码可能永远不会执行")
}

问题分析：

• 旧版本中，Goroutine只在函数调用、通道操作等"调度点"主动让出CPU
• 纯计算循环没有调度点，会一直占用线程
• 主Goroutine无法得到执行，导致程序卡死

2. 基于信号的抢占机制

2.1 抢占触发条件

• Goroutine运行超过10ms（时间片耗尽）
• 系统监控器（sysmon）检测到运行过久的Goroutine
• 发送SIGURG信号触发抢占

2.2 信号处理流程

// 简化的信号处理逻辑
func sighandler(sig uint32, info *siginfo, ctx unsafe.Pointer) {
    if sig == sigPreempt { // 抢占信号
        // 保存当前执行上下文
        // 修改PC寄存器指向抢占处理函数
        setPC(ctx, asyncPreempt)
    }
}

func asyncPreempt() {
    // 保存寄存器状态
    // 调用调度器让出CPU
    mcall(preemptPark)
}

3. 抢占的具体实现层次

3.1 协作式抢占点

// 在函数调用时插入抢占检查
func someFunction() {
    // 编译器插入的抢占检查
    if getg().preempt {
        gopreempt_m()
    }
    // 函数实际逻辑
}

3.2 异步抢占（基于信号）

• 适用于没有函数调用的计算密集型循环
• 通过操作系统信号强制中断执行
• 在任意指令位置都可以触发调度

4. 调度器状态转换

4.1 Goroutine状态变化

_Grunning → _Gpreempted → _Grunnable

• 运行中Goroutine收到抢占信号
• 保存执行上下文，标记为可抢占状态
• 重新放入运行队列等待下次调度

4.2 实际代码示例

func longRunningTask() {
    for i := 0; i < 1000000000; i++ {
        // 模拟计算密集型任务
        if i%1000 == 0 {
            // 手动调用Gosched()让出CPU（协作式）
            runtime.Gosched()
        }
    }
}

func main() {
    for i := 0; i < 10; i++ {
        go longRunningTask()
    }
    
    // 现代Go版本中，即使没有Gosched()调用
    // 基于信号的抢占也能保证公平调度
    time.Sleep(time.Second)
}

5. 系统监控器（sysmon）的作用

5.1 监控逻辑

func sysmon() {
    for {
        // 每20us~10ms检查一次
        usleep(delay)
        
        // 检查运行时间过长的Goroutine
        if preemptime > 10*1000*1000 { // 10ms
            preemptone(_g_) // 触发抢占
        }
    }
}

6. 平台相关实现差异

6.1 Unix系系统（Linux/macOS）

• 使用SIGURG信号（用户自定义信号）
• 信号处理程序修改执行上下文实现抢占

6.2 Windows系统

• 使用线程挂起和恢复机制
• 通过异步过程调用（APC）实现类似功能

7. 实际应用与调试

7.1 查看调度信息

GODEBUG=schedtrace=1000,scheddetail=1 go run program.go

7.2 抢占相关的调试信息

GODEBUG=asyncpreemptoff=1 # 禁用异步抢占（调试用）

总结
Go的抢占机制经历了从纯协作式到信号抢占的演进：

• 协作式抢占：在函数调用等固定点检查抢占标志
• 异步抢占：通过操作系统信号实现真正的强制抢占
• 现代Go调度器结合两种方式，既保证低延迟又避免饥饿

这种机制确保了即使有计算密集型Goroutine，其他Goroutine也能获得公平的CPU时间，是Go高并发能力的重要基础。