GMP模型面试问题

GMP模型概述

GMP模型是Go语言的并发调度模型，它是由Goroutine、M（OS线程）和P（处理器）三个主要组件构成的。这个模型是Go运行时（runtime）用来调度Goroutines执行的机制，它允许数以万计的Goroutines能够在有限数量的线程上高效运行。下面是GMP模型各个组件的详细说明：

Goroutine（G）

Goroutine是Go语言中的轻量级线程，它是并发执行的实体。与OS线程相比，Goroutines的创建和销毁成本要低得多，它们占用的内存也更少，通常只有几KB。Goroutines在逻辑上是独立的，但实际上是由M来执行的。

M（Machine或OS线程）

M代表Machine，实际上就是操作系统的线程。Go运行时会在物理或虚拟处理器上创建一定数量的线程，这些线程用于执行Goroutines。每个M都会绑定一个P，然后从P的本地运行队列中获取Goroutine来执行。如果M阻塞了（例如，等待I/O操作），它会释放P，然后运行时会创建或唤醒另一个M来绑定到P上，以保持CPU的利用率。

P（Processor或处理器）

P代表Processor，它是Goroutine执行所需的资源的抽象。P的数量通常由GOMAXPROCS环境变量控制，它决定了系统同时可以有多少个Goroutines在运行。每个P都有一个本地的Goroutine队列，它负责维护等待运行的Goroutines。P的作用是将Goroutines分配给M来执行，它是M和G之间的调度器。

GMP模型的工作原理

1.初始化：程序启动时，Go运行时会根据GOMAXPROCS的值创建相应数量的P，并创建一些M来服务这些P。2.执行Goroutines：每个P会从其本地队列中取出一个Goroutine，并将其分配给一个M来执行。3.全局队列和本地队列：如果一个P的本地队列为空，它会尝试从全局队列中获取Goroutines，或者从其他P的本地队列中“偷取”一半的Goroutines。4.阻塞和唤醒：如果一个M在执行Goroutine时被阻塞，它会释放P，并进入休眠状态。运行时会创建或唤醒另一个M来接管P。当阻塞的M完成等待的操作后，它会尝试获取一个空闲的P来继续执行Goroutines；如果没有空闲的P，它会将Goroutine放入全局队列，并进入休眠状态。

M与P

绑定时机

在Go语言的GMP模型中，M（Machine）与P（Processor）的绑定是由Go运行时进行管理的。绑定过程是在M需要执行Goroutines时发生的。以下是M与P绑定的一般过程：

1.启动时绑定：当Go程序启动时，Go运行时会根据GOMAXPROCS的值创建相应数量的P。同时，运行时也会创建一些M来服务这些P。每个M在启动时会尝试获取一个P，如果获取成功，M就与这个P绑定。2.执行Goroutines：一旦M与P绑定，M就可以从P的本地运行队列中取出Goroutines来执行。如果本地队列为空，M（通过P）可以尝试从全局队列获取Goroutines，或者从其他P的本地队列中“偷取”Goroutines。3.阻塞和解绑：如果M在执行Goroutine时被阻塞（例如，等待系统调用），它会释放P，这样其他的M就可以使用这个P来执行Goroutines。释放P的过程实际上是M与P的解绑。4.唤醒和重新绑定：当M完成阻塞操作并被唤醒时，它会尝试重新获取一个P。如果有空闲的P，M将与之绑定并继续执行Goroutines。如果没有空闲的P，M可能会将其Goroutine放入全局队列，并进入休眠状态，直到有可用的P。5.工作窃取：为了保持所有的M都在工作，Go运行时会使用工作窃取算法来平衡不同P的负载。如果一个M通过其绑定的P无法找到可执行的Goroutine，它会尝试从其他P的本地队列中窃取Goroutine来执行。6.调度器介入：Go运行时的调度器会监控所有的M、P和Goroutines，确保每个M都有工作可做。调度器会在必要时介入，进行M与P的绑定和解绑，以及Goroutines的分配。

通过这种动态绑定和解绑的机制，Go运行时能够有效地利用系统资源，同时保持高并发性能。这种设计允许Go程序在多核处理器上实现高效的并发执行，而不需要程序员进行复杂的并发管理。

对应关系

在Go语言的GMP模型中，M（Machine，操作系统线程）和P（Processor，处理器）之间的对应关系是动态的，而不是一对一的固定关系。这种设计允许Go运行时（runtime）更灵活地调度Goroutines（G），以实现高效的并发执行。下面是M和P之间对应关系的几个关键点：

动态绑定

•绑定：一个M在执行Goroutines之前，需要绑定一个P。绑定发生在M准备执行Goroutine时，M会从系统的P池中获取一个可用的P并与之绑定。这个过程是动态的，意味着M可以在不同时间绑定不同的P。•解绑：当M因为某些原因（如系统调用阻塞）不能继续执行Goroutines时，它会释放或解绑当前的P，使得其他的M可以绑定该P并继续执行Goroutines。当M再次准备执行Goroutines时，它需要重新绑定一个P。

多对多关系

•多个M可以共享P池：系统中的所有M共享一个P池。这意味着多个M可能在不同时间绑定同一个P（当然，不是同时绑定）。•一个M在任何时刻只能绑定一个P：虽然M可以在其生命周期内绑定多个不同的P，但在任何给定的时刻，一个M只能绑定一个P。•一个P在任何时刻只能被一个M绑定：同样，虽然一个P可以在其生命周期内被多个不同的M绑定，但在任何给定的时刻，一个P只能被一个M绑定。

调度和负载平衡

•工作窃取：为了保持所有的M都在工作，Go运行时使用工作窃取算法来平衡不同P的负载。如果一个M通过其绑定的P无法找到可执行的Goroutine，它会尝试从其他P的本地队列中窃取Goroutine来执行。•全局队列和本地队列：P拥有本地队列，用于存储准备执行的Goroutines。当P的本地队列为空时，M可以从全局队列获取Goroutines，或者从其他P的本地队列中窃取Goroutines。

M与G

在Go语言的GMP（Goroutine, Machine, Processor）模型中，M（Machine）与G（Goroutine）的对应关系是多对多的。这意味着一个M可以在其生命周期内执行多个G，而一个G也可以在其生命周期内被多个M执行。这种关系是由Go运行时的调度器动态管理的。以下是M与G之间对应关系的几个关键点：

1.多个Goroutines：一个M可以执行多个Goroutines，但在任何给定的时刻，它只能执行一个Goroutine。当一个Goroutine执行完毕、阻塞或者主动让出执行权时，M会从与之绑定的P的本地队列或全局队列中选择另一个Goroutine来执行。2.上下文切换：当一个Goroutine因为I/O操作、系统调用或者其他阻塞操作而不能继续执行时，M会进行上下文切换，挂起当前的Goroutine，并选择另一个Goroutine继续执行。这个过程是由Go运行时的调度器控制的。3.工作窃取：如果M的当前P的本地队列中没有可运行的Goroutine，M可以尝试从其他P的本地队列中“偷取”Goroutine来执行。这是Go运行时为了保持所有M都在工作而采用的一种策略。4.Goroutine的状态：Goroutines在它们的生命周期中会有不同的状态，如_runnable_（可运行的）、_running_（正在运行的）、_waiting_（等待的）、_dead_（结束的）。一个Goroutine可能会在多个M之间迁移，这取决于它的状态和系统的调度策略。5.Goroutine的调度：Go运行时的调度器使用了一个称为M:N调度的模型，其中M代表操作系统线程，N代表Goroutines。调度器会根据系统的负载和资源情况，动态地将Goroutines分配给M来执行。6.并发执行：尽管一个M在任何时刻只能执行一个Goroutine，但由于Go程序通常会有多个M（操作系统线程）同时运行，因此多个Goroutine可以并发执行。

总结来说，M与G的对应关系是由Go运行时的调度器动态管理的，一个M可以执行多个Goroutines，但在任何给定的时刻只能执行一个Goroutine。这种多对多的关系使得Go能够高效地处理并发任务，同时最大化地利用多核处理器的能力。

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