Go Goroutine 调度深度解析：理解并发与并行执行的差异

本文深入探讨 go 语言中 goroutine 的调度机制，解释为何在多 goroutine 场景下，实际的并行执行行为可能与预期不符。我们将阐明 go 运行时调度器的工作原理，特别是 gomaxprocs 参数对并发与并行执行的影响，并提供实践建议以实现更有效的并行处理。

1. Goroutine 与 Go 并发模型概述

Go 语言通过 Goroutine 提供了一种轻量级的并发机制。Goroutine 是由 Go 运行时管理的协程，相比传统的操作系统线程，它具有更小的内存开销和更快的创建、切换速度。当使用 go 关键字启动一个函数时，它就会在一个新的 Goroutine 中异步执行。

理解 Go 的并发模型，首先要区分“并发”（Concurrency）和“并行”（Parallelism）：

• 并发：指能够同时处理多个任务的能力，即使这些任务并非在同一时刻执行。它们可能在单个处理器核心上通过时间片轮转的方式交替执行。
• 并行：指多个任务在多个处理器核心上真正地同时、同步执行。

Go 语言天生支持并发，但要实现真正的并行则需要满足一定的条件。

2. Go 运行时调度器的工作原理

Go 运行时包含一个复杂的调度器，负责将 Goroutine 映射到操作系统线程上执行。这个调度器采用了 M:N 调度模型，即 N 个 Goroutine 可以在 M 个操作系统线程上运行。其核心组件包括：

• G (Goroutine)：Go 应用程序中的并发执行单元。
• M (Machine/OS Thread)：操作系统线程，是实际执行代码的载体。
• P (Processor)：逻辑处理器，代表一个 Go 运行时上下文，它将 G 绑定到 M 上。每个 P 维护一个本地的 Goroutine 队列，当 M 完成当前 G 的执行后，会从 P 的队列中取出下一个 G 执行。当 P 的本地队列为空时，它会尝试从其他 P 的队列中“偷取” Goroutine。

2.1 GOMAXPROCS 的作用

GOMAXPROCS 是一个环境变量，也可以通过 runtime.GOMAXPROCS 函数在程序中设置。它控制了 Go 运行时可以同时使用的逻辑处理器 P 的数量。

Midjourney

当前最火的AI绘图生成工具，可以根据文本提示生成华丽的视觉图片。

454

查看详情

• 默认值：在 Go 1.5 版本及之后，GOMAXPROCS 的默认值通常设置为机器的 CPU 核心数 (runtime.NumCPU())。但在更早的版本中或某些特定环境下，其默认值可能为 1。
• GOMAXPROCS = 1 的影响：当 GOMAXPROCS 设置为 1 时，即使系统拥有多个 CPU 核心，Go 运行时也只会创建一个逻辑处理器 P。这意味着所有 Goroutine 都必须在一个操作系统线程（M）上轮流执行。在这种情况下，Goroutine 之间只能实现并发，而无法实现真正的并行执行。它们会分时共享 CPU 资源，表现为交替执行。
• GOMAXPROCS > 1 的影响：当 GOMAXPROCS 设置为大于 1 的值时，Go 运行时会创建相应数量的逻辑处理器 P。这些 P 可以被多个操作系统线程 M 使用，从而允许 Goroutine 在多个 CPU 核心上同时执行，实现并行。

3. 实验现象分析：为何并行执行不如预期？

在提供的实验代码中，用户启动了两个计算密集型（CPU 密集型）的 Goroutine，每个 Goroutine 都重复调用 fib 函数。观察到的现象是，在大部分时间内，两个 Goroutine 都是以大块的形式交替执行，而不是预期的“并排”或细粒度交错执行，直到任务后期才出现更频繁的切换。

这种现象通常是 GOMAXPROCS 默认值为 1 时的一个典型表现。当 GOMAXPROCS=1 时：

1. 单线程执行：Go 运行时只有一个逻辑处理器 P，所有 Goroutine 都在这一个 P 绑定的 M（操作系统线程）上执行。
2. 长时间占用 CPU：fib 函数是一个纯粹的 CPU 密集型计算，它不会主动进行 I/O 操作，也不会调用 runtime.Gosched() 等函数来主动让出 CPU。这意味着一个 Goroutine 一旦开始执行 fib 计算，它会尽可能长时间地占用 CPU，直到被 Go 调度器强制抢占（preemption）。
3. 抢占式调度：Go 调度器在 Goroutine 运行时会定期进行抢占检查。在 Go 1.14 之前，抢占主要发生在函数调用或循环的后向跳转点。从 Go 1.14 开始，Go 引入了非协作式抢占（asynchronous preemption），使得调度器可以在任意安全点抢占 Goroutine。然而，即使有了抢占，对于长时间运行的 CPU 密集型任务，调度器也可能允许一个 Goroutine 运行相当长一段时间，直到达到抢占点或时间片耗尽。
4. “后期交错”现象：至于为何在任务后期出现更频繁的交错，这可能与 fib 函数在计算较大数字时所需的执行时间有关，或者仅仅是调度器在特定时刻的决策。调度器的行为是非确定性的，它会根据内部启发式算法和系统负载来决定何时切换 Goroutine。在 CPU 密集型任务中，如果一个 Goroutine 不主动让出 CPU，调度器倾向于让它运行一段时间，以减少上下文切换的开销。

4. 实现真正的并行执行

要让 Goroutine 在多核 CPU 上实现真正的并行执行，关键在于确保 Go 运行时能够利用多个逻辑处理器 P。最直接的方法是设置 GOMAXPROCS。

4.1 设置 GOMAXPROCS

你可以通过以下两种方式设置 GOMAXPROCS：

• 通过代码设置 (推荐)： 在 main 函数的开头调用 runtime.GOMAXPROCS 函数。通常，我们会将其设置为机器的 CPU 核心数，以充分利用硬件资源。

  package main
  
  import (
      "fmt"
      "runtime"
      "sync" // 用于等待 Goroutine 完成
  )
  
  // fib 计算第 n 个斐波那

  登录后复制

以上就是Go Goroutine 调度深度解析：理解并发与并行执行的差异的详细内容，更多请关注php中文网其它相关文章！