golang面试题005
# Go Runtime
## 1. Goroutine定义
Goroutine是一个与其他goroutines 并行运行在同一地址空间的go函数或方法
一个运行的程序由于一个或更多个goroutine组成.它与线程,协程,进程 等不同
他是一个goroutine - Rob Pike
Goroutines 在同一个用户地址空间里并行独立执行 functions,channels 则用于
Goroutines间的通信和同步访问控制.
## 2. GMP 指的是什么
G(Goroutine):我们所说的协程,为用户级的轻量级线程,每个Goroutine对象中的sched保存着其上下文信息.
M(Machine): 对内核级 线程的封装,数量对应真实的CPU数(真正干活的对象)
P(Processor): 即为G和M的调度对象,用来调度G和M之间的关联关系,其数量可通过GOMAXPROCS()来设置, 默认为核心数
## 3. 1.0 之前GM调度模型
调度器把G都分配到M上,不同的G在不同的M并发运行时候,都需要向系统中申请资源
比如堆栈内存等,因为资源是全局的,就会因为资源竞争照成很多性能损耗.为了解决这一的问题go 从1.1版本引入,在运行时系统的时候加入p对象,让p去管理这个G对象,M想要运行G,必须绑定P,才能运行P所管理的对象
1．单一全局互斥锁(Sched.Lock)和集中状态存储
2．Goroutine 传递问题（M 经常在 M 之间传递”可运行”的 goroutine）
3．每个 M 做内存缓存,导致内存占用过高,数据局部性较差
4．频繁 syscall 调用,导致严重的线程阻塞/解锁,加剧额外的性能损耗。
## 4、GMP 调度流程
- 每个 P 有个局部队列,局部队列保存待执行的 goroutine(流程 2),当 M 绑定的 P 的的局部队列已经满了之后就会把 goroutine 放到全局队列(流程 2-1)
- 每个 P 和一个 M 绑定,M 是真正的执行 P 中 goroutine 的实体(流程 3),M
从绑定的 P 中的局部队列获取 G 来执行
- 当 M 绑定的 P 的局部队列为空时,M 会从全局队列获取到本地队列来执行
G(流程 3.1),当从全局队列中没有获取到可执行的 G 时候,M 会从其他 P
的局部队列中偷取 G 来执行(流程 3.2),这种从其他 P 偷的方式称为 work
stealing
- 当 G 因系统调用(syscall)阻塞时会阻塞 M,此时 P 会和 M 解绑即 hand
off,并寻找新的 idle 的 M,若没有 idle 的 M 就会新建一个 M(流程 5.1)。
- 当 G 因 channel 或者 network I/O 阻塞时,不会阻塞 M,M 会寻找其他
runnable 的 G；当阻塞的 G 恢复后会重新进入 runnable 进入 P 队列等待执
行(流程 5.3)
## 5、GMP 中 work stealing 机制
>存到 P 本地队列或者是全局队列。P 此时去唤醒一个 M。P 继续执行它的执行
序。M 寻找是否有空闲的 P,如果有则将该 G 对象移动到它本身。接下来 M 执行
一个调度循环(调用 G 对象->执行->清理线程→继续找新的 Goroutine 执行)。
## 6、GMP 中 hand off 机制
>当本线程 M 因为 G 进行的系统调用阻塞时,线程释放绑定的 P,把 P 转移给其
他空闲的 M'执行。当发生上线文切换时,需要对执行现场进行保护,以便下次
被调度执行时进行现场恢复。Go 调度器 M 的栈保存在 G 对象上,只需要将 M 所
需要的寄存器(SP、PC 等)保存到 G 对象上就可以实现现场保护。当这些寄存器
数据被保护起来,就随时可以做上下文切换了,在中断之前把现场保存起来。
如果此时 G 任务还没有执行完,M 可以将任务重新丢到 P 的任务队列,等待下
一次被调度执行。当再次被调度执行时,M 通过访问 G 的 vdsoSP、vdsoPC 寄存
器进行现场恢复(从上次中断位置继续执行)。
## 7、协作式的抢占式调度
>在 1.14 版本之前,程序只能依靠 Goroutine 主动让出 CPU 资源才能触发调
度,存在问题
>
- 某些 Goroutine 可以长时间占用线程,造成其它 Goroutine 的饥饿
- 垃圾回收需要暂停整个程序（Stop-the-world,STW）,最长可能需要几分钟的时间,导致整个程序无法工作。
## 8、基于信号的抢占式调度
>在任何情况下,Go 运行时并行执行（注意,不是并发）的 goroutines 数量是
小于等于 P 的数量的。为了提高系统的性能,P 的数量肯定不是越小越好,所
以官方默认值就是 CPU 的核心数,设置的过小的话,如果一个持有 P 的 M,
由于 P 当前执行的 G 调用了 syscall 而导致 M 被阻塞,那么此时关键点：
GO 的调度器是迟钝的,它很可能什么都没做,直到 M 阻塞了相当长时间以
后,才会发现有一个 P/M 被 syscall 阻塞了。然后,才会用空闲的 M 来强这
个 P。通过 sysmon 监控实现的抢占式调度,最快在 20us,最慢在 10-20ms 才
会发现有一个 M 持有 P 并阻塞了。操作系统在 1ms 内可以完成很多次线程调
度（一般情况 1ms 可以完成几十次线程调度）,Go 发起 IO/syscall 的时候执
行该 G 的 M 会阻塞然后被 OS 调度走,P 什么也不干,sysmon 最慢要 10-20ms
才能发现这个阻塞,说不定那时候阻塞已经结束了,宝贵的 P 资源就这么被阻
塞的 M 浪费了
## 9、GMP 调度过程中存在哪些阻塞
- I/O,select
- block on syscall
- channel
- 等待锁
- runtime.Gosched()
## 10、sysmon 有什么作用
sysmon 也叫监控线程,变动的周期性检查,好处
- 释放闲置超过 5 分钟的 span 物理内存；
- 如果超过 2 分钟没有垃圾回收,强制执行；
- 将长时间未处理的 netpoll 添加到全局队列；
- 向长时间运行的 G 任务发出抢占调度(超过 10ms 的 g,会进行 retake)；
- 收回因 syscall 长时间阻塞的 P
## 11、三色标记原理
我们首先看一张图,大概就会对 三色标记法有一个大致的了解：
**原理**：
首先把所有的对象都放到白色的集合中
- 从根节点开始遍历对象,遍历到的白色对象从白色集合中放到灰色集合中
- 遍历灰色集合中的对象,把灰色对象引用的白色集合的对象放入到灰色集
合中,同时把遍历过的灰色集合中的对象放到黑色的集合中
- 循环步骤3,知道灰色集合中没有对象
- 步骤4结束后,白色集合中的对象就是不可达对象,也就是垃圾,进行回收
## 12、插入写屏障
golang 的回收没有混合屏障之前,一直是插入写屏障,由于栈赋值没有 hook
的原因,所以栈中没有启用写屏障,所以有 STW。golang 的解决方法是：只是
需要在结束时启动 STW 来重新扫描栈。这个自然就会导致整个进程的赋值器卡
顿,所以后面 golang 是引用混合写屏障解决这个问题。混合写屏障之后,就
没有 STW。
## 13、删除写屏障
goalng 没有这一步,golang 的内存写屏障是由插入写屏障到混合写屏障过渡
的。简单介绍一下,一个对象即使被删除了最后一个指向它的指针也依旧可以
活过这一轮,在下一轮 GC 中被清理掉。
## 14、 写屏障
Go 在进行三色标记的时候并没有 STW,也就是说,此时的对象还是可以进行修
改。
那么我们考虑一下,下面的情况。
我们在进行三色标记中扫描灰色集合中,扫描到了对象 A,并标记了对象 A 的
所有引用,这时候,开始扫描对象 D 的引用,而此时,另一个 goroutine 修改
了 D->E 的引用,变成了如下图所示
这样会不会导致 E 对象就扫描不到了,而被误认为 为白色对象,也就是垃圾
写屏障就是为了解决这样的问题,引入写屏障后,在上述步骤后,E 会被认为
是存活的,即使后面 E 被 A 对象抛弃,E 会被在下一轮的 GC 中进行回收,这一
轮 GC 中是不会对对象 E 进行回收的。
## 15、混合写屏障
- 混合写屏障继承了插入写屏障的优点,起始无需 STW 打快照,直接并发扫
描垃圾即可；
- 混合写屏障继承了删除写屏障的优点,赋值器是黑色赋值器,GC 期间,任
何在栈上创建的新对象,均为黑色。扫描过一次就不需要扫描了,这样就
消除了插入写屏障时期最后 STW 的重新扫描栈；
- 混合写屏障扫描精度继承了删除写屏障,比插入写屏障更低,随着带来的
是 GC 过程全程无 STW；
- 混合写屏障扫描栈虽然没有 STW,但是扫描某一个具体的栈的时候,还是
要停止这个 goroutine 赋值器的工作的哈（针对一个 goroutine 栈来
说,是暂停扫的,要么全灰,要么全黑哈,原子状态切换）。
## 16、GC 触发时机
**主动触发**：调用 runtime.GC
**被动触发**：
>使用系统监控,该触发条件由 runtime.forcegcperiod 变量控制,默认为 2 分
钟。当超过两分钟没有产生任何 GC 时,强制触发 GC。
使用步调（Pacing）算法,其核心思想是控制内存增长的比例。如 Go 的 GC
是一种比例 GC, 下一次 GC 结束时的堆大小和上一次 GC 存活堆大小成比例.
由 GOGC 控制, 默认 100, 即 2 倍的关系, 200 就是 3 倍,
当 Go 新创建的对象所占用的内存大小,除以上次 GC 结束后保留下来的对象占
用内存大小
## 17、Go 语言中 GC 的流程是什么？
>当前版本的 Go 以 STW 为界限,可以将 GC 划分为五个阶段：
阶段说明赋值器状态 GCMark 标记准备阶段,为并发标记做准备工作,启动写屏
障 STWGCMark 扫描标记阶段,与赋值器并发执行,写屏障开启并发
GCMarkTermination 标记终止阶段,保证一个周期内标记任务完成,停止写屏
障 STWGCoff 内存清扫阶段,将需要回收的内存归还到堆中,写屏障关闭并发
GCoff 内存归还阶段,将过多的内存归还给操作系统,写屏障关闭并发。
## 18、GC 如何调优
通过 go tool pprof 和 go tool trace 等工具
- 控制内存分配的速度,限制 goroutine 的数量,从而提高赋值器对 CPU
的利用率。
- 减少并复用内存,例如使用 sync.Pool 来复用需要频繁创建临时对象,例
如提前分配足够的内存来降低多余的拷贝。
- 需要时,增大 GOGC 的值,降低 GC 的运行频率。
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