Go: Go 调度器中的工作窃取(Work-Stealing) Work-Stealing in Go Scheduler

本文基于 Go 1.13

在 Go 中创建 Goroutine 既方便又快捷,然而 Go 在同一时间内最多在一个核上运行一个 Goroutine,因此需要一种方法来存放其他的 Goroutine,从而确保处理器(processor)负载均衡。

Goroutine 队列

Go 使用两级队列来管理等待中的 Goroutine,分别为本地队列和全局队列。每一个处理器都拥有本地队列,而全局队列是唯一的,且能被所有的处理器访问到:

每个本地队列都有最大容量,为 256。在容量满了之后,任意新到来的 Goroutine 都会被放置到全局队列。下面的例子是,生产了上千个 Goroutine 的程序:

func main() {
   var wg sync.WaitGroup

   for i := 0;i < 2000 ;i++ {
      wg.Add(1)
      Go func() {
         a := 0

         for i := 0; i < 1e6; i++ {
            a += 1
         }

         wg.Done()
      }()
   }

   wg.Wait()
}

下面是拥有两个处理器的调度器追踪数据(traces):

追踪数据通过 runqueue 展示了全局队列中 Goroutine 的数量,以及方括号中 [3 256] 的本地队列 Goroutine 数量(分别为 P0 和 P1)。当本地队列满了,积压了 256 个等待中的 Goroutine 后,下一个 Goroutine 会被压栈到全局队列中,正如我们从 runqueue 看到的数量增长一样。

Goroutine 仅在本地队列满载之后才会加入到全局队列;它也会在 Go 往调度器中批量注入时被加到全局队列,例如,网络轮询器(network poller) 或者在垃圾回收期间等待的 Goroutine。

下面是上一个例子的图示:

不过,我们还想知道,为什么本地队列 P0 在上一个列子中不为空。因为 Go 使用了其他策略确保每个处理器都有任务处理。

任务窃取

如果处理器没有任务可处理,它会按以下规则来执行,直到满足某一条规则:

  • 从本地队列获取任务
  • 从全局队列获取任务
  • 从网络轮询器获取任务
  • 从其它的处理器的本地队列窃取任务

在我们前面的例子中,主函数在 P1 上运行并创建 Goroutine。当第一批 gourinte 已经进入了 P1 的本地队列时,P0 正在寻找任务。然而,它的本地队列,全局队列,以及网络轮询器都是空的。最后的解决方法是从 P1 中窃取任务。

下面是调度器在发生任务窃取前后的追踪数据:

追踪数据展示了,处理器是如何从其它处理器中窃取任务的。它从(其他处理器的)本地队列中取走一半的 Goroutine;在七个 Goroutine 中,偷走了四个 —— 其中一个立马在 P0 执行,剩下的放到本地队列。现在处理器间工作处于负载良好的状态。这能通过执行 tracing 来确认:

Goroutine 被合理地分发,然后因为没有 I/O,Goroutine 被链式执行而不需要切换。我们现在看一下,当出现例如涉及到文件操作等 I/O 时,会发生什么。

I/O 与全局队列

一起看下涉及到文件操作的例子:

func main() {
   var wg sync.WaitGroup

   for i := 0;i < 20 ;i++ {
      wg.Add(1)
      Go func() {
         a := 0
         for i := 0; i < 1e6; i++ {
            a += 1
            if i == 1e6/2 {
               bytes, _ := ioutil.ReadFile(`add.txt`)
               inc, _ := strconv.Atoi(string(bytes))
               a += inc
            }
         }
         wg.Done()
      }()
   }

   wg.Wait()
}

变量 a 随着时间以文件的字节数增加,下面是新的追踪数据:

在这个例子中,我们能看到每一个 Goroutine 不只被一个处理器处理。在系统调用的情况下,当调用完成后,Go 使用网络轮询器从全局队列中把 gouroutine 取回来。这里是 Goroutine #35 的一个示意图:

当一个处理器能从全局队列中获取任务,第一个可用的处理器( P) 会执行这个 Goroutine。这个行为解释了,为什么一个 Goroutine 能在不同的处理器中运行,也展示了 Go 是如何让空闲的处理器资源运行 Goroutine,从而进行系统调用的优化。


原文来自:https://medium.com/a-journey-with-go/go-work-stealing-in-go-scheduler-d439231be64d

作者:Vincent Blanchon  译者:LSivan  校对:polaris1119

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