Go中的调度器：Goroutine状态转换与调度时机

在Go并发模型中，调度器负责管理Goroutine的生命周期和执行。理解Goroutine的状态转换和调度时机对于编写高效的并发程序至关重要。

1. Goroutine的三种基本状态

• Grunnable：可运行状态。Goroutine已创建并准备好执行，但尚未被分配到线程
• Grunning：运行状态。Goroutine正在某个线程上执行代码
• Gsyscall：系统调用状态。Goroutine正在执行阻塞的系统调用
• Gwaiting：等待状态。Goroutine因某些条件（如channel操作、锁、定时器等）而阻塞

2. 状态转换的详细过程

从创建到可运行（→ Grunnable）

go func() {
    fmt.Println("New goroutine")
}()

• 步骤1：编译器将go语句转换为运行时调用runtime.newproc()
• 步骤2：分配Goroutine结构体（g结构）和初始栈空间（通常2KB）
• 步骤3：将函数参数复制到Goroutine的栈中
• 步骤4：将Goroutine加入当前P的本地运行队列（local runqueue）

从可运行到运行（Grunnable → Grunning）

• 触发条件：调度器寻找可执行的Goroutine
• 步骤1：当前运行的Goroutine主动让出或阻塞
• 步骤2：调度器从当前P的本地队列获取下一个Grunnable的G
• 步骤3：执行runtime.execute()将G绑定到当前M（线程）
• 步骤4：修改G状态为Grunning，恢复G的上下文并跳转到代码位置

从运行到等待（Grunning → Gwaiting）

ch := make(chan int)
// 当前Goroutine在此处阻塞
data := <-ch  // 或 ch <- 1

• 步骤1：Goroutine执行阻塞操作（channel发送/接收、锁获取等）
• 步骤2：调用相应的运行时函数（如runtime.chansend()）
• 步骤3：检查操作是否可立即完成，若不能则修改状态为Gwaiting
• 步骤4：将G从当前M解绑，并加入相应等待队列
• 步骤5：触发调度，寻找下一个可运行的G

从等待到可运行（Gwaiting → Grunnable）

// 在另一个Goroutine中
ch <- 42  // 唤醒等待的Goroutine

• 步骤1：其他Goroutine完成使条件满足的操作（如channel发送）
• 步骤2：运行时将等待的G从等待队列移至可运行队列
• 步骤3：根据情况选择目标P的队列：
  • 如果G有绑定的P，加入其本地队列
  • 否则加入全局队列或窃取者的队列
• 步骤4：修改G状态为Grunnable，等待被调度

系统调用相关的状态转换

file, err := os.Open("test.txt")  // 可能触发系统调用

• 进入系统调用（Grunning → Gsyscall）：

  • 步骤1：G执行阻塞系统调用前调用runtime.entersyscall()
  • 步骤2：解除G与当前P的绑定（P进入Psyscall状态）
  • 步骤3：P可能被分配给其他M继续执行其他G

• 退出系统调用（Gsyscall → Grunnable）：

  • 步骤1：系统调用返回时调用runtime.exitsyscall()
  • 步骤2：尝试获取原来的P，如果可用则直接绑定
  • 步骤3：如果原P已被占用，尝试从其他P窃取工作
  • 步骤4：如果都失败，则G加入全局队列，M进入休眠

3. 主要的调度时机

主动调度（主动让出CPU）

// 1. 调用runtime.Gosched()
func main() {
    go func() {
        for {
            runtime.Gosched()  // 主动让出CPU
        }
    }()
}

// 2. 在函数入口插入的栈扩张检查
// 编译器会在函数开头插入栈检查代码

被动调度（因阻塞操作触发）

• Channel操作：发送/接收阻塞时
• 网络I/O：网络读写未就绪时
• 系统调用：文件操作、sleep等
• 同步原语：mutex、cond等锁操作

抢占式调度（防止Goroutine独占CPU）

• 基于信号的抢占（主要机制）：
  • 步骤1：监控线程sysmon检测到G运行超过10ms
  • 步骤2：向对应M发送SIGURG信号
  • 步骤3：信号处理程序修改G的上下文，使其在下次检查点时让出
• 基于函数调用的协作式抢占（Go 1.14前）：
  • 在函数调用时检查抢占标志

4. 调度器的负载均衡机制

工作窃取（Work Stealing）

• 当P的本地队列为空时，按顺序尝试：
  1. 从全局队列获取一批G（最多1/4的本地队列容量）
  2. 从网络轮询器获取已就绪的G
  3. 随机选择其他P，窃取其本地队列一半的G

系统调用返回时的P获取策略

• 优先尝试获取原来的P
• 次优尝试从其他空闲P窃取
• 最后将G加入全局队列，M休眠

5. 实际调试与观察

查看调度器状态：

import "runtime"
import "runtime/debug"

// 查看Goroutine数量
println(runtime.NumGoroutine())

// 查看调度器跟踪信息
debug.SetTraceback("system")

// 使用trace工具
// go run main.go 2> trace.out
// go tool trace trace.out

理解这些状态转换和调度时机有助于：

• 诊断Goroutine泄漏问题
• 优化并发程序性能
• 理解死锁和活锁的产生原因
• 合理设计并发控制策略