GPM 是什么
G、P、M 是 Go 调度器的三个核心组件，各司其职。在它们精密地配合下，Go 调度器得以高效运转，这也是 Go 天然支持高并发的内在动力。今天这篇文章我们来深入理解 GPM 模型。
先看 G，取 goroutine 的首字母，主要保存 goroutine 的一些状态信息以及 CPU 的一些寄存器的值，例如 IP 寄存器，以便在轮到本 goroutine 执行时，CPU 知道要从哪一条指令处开始执行。
当 goroutine 被调离 CPU 时，调度器负责把 CPU 寄存器的值保存在 g 对象的成员变量之中。当 goroutine 被调度起来运行时，调度器又负责把 g 对象的成员变量所保存的寄存器值恢复到 CPU 的寄存器。
本系列使用的代码版本是 1.9.2，来看一下 g 的源码：
1
type g struct {
2
3
// goroutine 使用的栈
4
stack stack // offset known to runtime/cgo
5
// 用于栈的扩张和收缩检查，抢占标志
6
stackguard0 uintptr // offset known to liblink
7
stackguard1 uintptr // offset known to liblink
8
9
_panic *_panic // innermost panic - offset known to liblink
10
_defer *_defer // innermost defer
11
// 当前与 g 绑定的 m
12
m *m // current m; offset known to arm liblink
13
// goroutine 的运行现场
14
sched gobuf
15
syscallsp uintptr // if status==Gsyscall, syscallsp = sched.sp to use during gc
16
syscallpc uintptr // if status==Gsyscall, syscallpc = sched.pc to use during gc
17
stktopsp uintptr // expected sp at top of stack, to check in traceback
18
// wakeup 时传入的参数
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param unsafe.Pointer // passed parameter on wakeup
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atomicstatus uint32
21
stackLock uint32 // sigprof/scang lock; TODO: fold in to atomicstatus
22
goid int64
23
// g 被阻塞之后的近似时间
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waitsince int64 // approx time when the g become blocked
25
// g 被阻塞的原因
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waitreason string // if status==Gwaiting
27
// 指向全局队列里下一个 g
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schedlink guintptr
29
// 抢占调度标志。这个为 true 时，stackguard0 等于 stackpreempt
30
preempt bool // preemption signal, duplicates stackguard0 = stackpreempt
31
paniconfault bool // panic (instead of crash) on unexpected fault address
32
preemptscan bool // preempted g does scan for gc
33
gcscandone bool // g has scanned stack; protected by _Gscan bit in status
34
gcscanvalid bool // false at start of gc cycle, true if G has not run since last scan; TODO: remove?
35
throwsplit bool // must not split stack
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raceignore int8 // ignore race detection events
37
sysblocktraced bool // StartTrace has emitted EvGoInSyscall about this goroutine
38
// syscall 返回之后的 cputicks，用来做 tracing
39
sysexitticks int64 // cputicks when syscall has returned (for tracing)
40
traceseq uint64 // trace event sequencer
41
tracelastp puintptr // last P emitted an event for this goroutine
42
// 如果调用了 LockOsThread，那么这个 g 会绑定到某个 m 上
43
lockedm *m
44
sig uint32
45
writebuf []byte
46
sigcode0 uintptr
47
sigcode1 uintptr
48
sigpc uintptr
49
// 创建该 goroutine 的语句的指令地址
50
gopc uintptr // pc of go statement that created this goroutine
51
// goroutine 函数的指令地址
52
startpc uintptr // pc of goroutine function
53
racectx uintptr
54
waiting *sudog // sudog structures this g is waiting on (that have a valid elem ptr); in lock order
55
cgoCtxt []uintptr // cgo traceback context
56
labels unsafe.Pointer // profiler labels
57
// time.Sleep 缓存的定时器
58
timer *timer // cached timer for time.Sleep
59
60
gcAssistBytes int64
61
}
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源码中，比较重要的字段我已经作了注释，其他未作注释的与调度关系不大或者我暂时也没有理解的。
g 结构体关联了两个比较简单的结构体，stack 表示 goroutine 运行时的栈：1
// 描述栈的数据结构，栈的范围：[lo, hi)
2
type stack struct {
3
// 栈顶，低地址
4
lo uintptr
5
// 栈低，高地址
6
hi uintptr
7
}
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Goroutine 运行时，光有栈还不行，至少还得包括 PC，SP 等寄存器，gobuf 就保存了这些值：
1
type gobuf struct {
2
// 存储 rsp 寄存器的值
3
sp uintptr
4
// 存储 rip 寄存器的值
5
pc uintptr
6
// 指向 goroutine
7
g guintptr
8
ctxt unsafe.Pointer // this has to be a pointer so that gc scans it
9
// 保存系统调用的返回值
10
ret sys.Uintreg
11
lr uintptr
12
bp uintptr // for GOEXPERIMENT=framepointer
13
}
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再来看 M，取 machine 的首字母，它代表一个工作线程，或者说系统线程。G 需要调度到 M 上才能运行，M 是真正工作的人。结构体 m 就是我们常说的 M，它保存了 M 自身使用的栈信息、当前正在 M 上执行的 G 信息、与之绑定的 P 信息……
当 M 没有工作可做的时候，在它休眠前，会“自旋”地来找工作：检查全局队列，查看 network poller，试图执行 gc 任务，或者“偷”工作。
结构体 m 的源码如下：
1
// m 代表工作线程，保存了自身使用的栈信息
2
type m struct {
3
// 记录工作线程（也就是内核线程）使用的栈信息。在执行调度代码时需要使用
4
// 执行用户 goroutine 代码时，使用用户 goroutine 自己的栈，因此调度时会发生栈的切换
5
g0 *g // goroutine with scheduling stack/
6
morebuf gobuf // gobuf arg to morestack
7
divmod uint32 // div/mod denominator for arm - known to liblink
8
9
// Fields not known to debuggers.
10
procid uint64 // for debuggers, but offset not hard-coded
11
gsignal *g // signal-handling g
12
sigmask sigset // storage for saved signal mask
13
// 通过 tls 结构体实现 m 与工作线程的绑定
14
// 这里是线程本地存储
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tls [6]uintptr // thread-local storage (for x86 extern register)
16
mstartfn func()
17
// 指向正在运行的 gorutine 对象
18
curg *g // current running goroutine
19
caughtsig guintptr // goroutine running during fatal signal
20
// 当前工作线程绑定的 p
21
p puintptr // attached p for executing go code (nil if not executing go code)
22
nextp puintptr
23
id int32
24
mallocing int32
25
throwing int32
26
// 该字段不等于空字符串的话，要保持 curg 始终在这个 m 上运行
27
preemptoff string // if != "", keep curg running on this m
28
locks int32
29
softfloat int32
30
dying int32
31
profilehz int32
32
helpgc int32
33
// 为 true 时表示当前 m 处于自旋状态，正在从其他线程偷工作
34
spinning bool // m is out of work and is actively looking for work
35
// m 正阻塞在 note 上
36
blocked bool // m is blocked on a note
37
// m 正在执行 write barrier
38
inwb bool // m is executing a write barrier
39
newSigstack bool // minit on C thread called sigaltstack
40
printlock int8
41
// 正在执行 cgo 调用
42
incgo bool // m is executing a cgo call
43
fastrand uint32
44
// cgo 调用总计数
45
ncgocall uint64 // number of cgo calls in total
46
ncgo int32 // number of cgo calls currently in progress
47
cgoCallersUse uint32 // if non-zero, cgoCallers in use temporarily
48
cgoCallers *cgoCallers // cgo traceback if crashing in cgo call
49
// 没有 goroutine 需要运行时，工作线程睡眠在这个 park 成员上，
50
// 其它线程通过这个 park 唤醒该工作线程
51
park note
52
// 记录所有工作线程的链表
53
alllink *m // on allm
54
schedlink muintptr
55
mcache *mcache
56
lockedg *g
57
createstack [32]uintptr // stack that created this thread.
58
freglo [16]uint32 // d[i] lsb and f[i]
59
freghi [16]uint32 // d[i] msb and f[i+16]
60
fflag uint32 // floating point compare flags
61
locked uint32 // tracking for lockosthread
62
// 正在等待锁的下一个 m
63
nextwaitm uintptr // next m waiting for lock
64
needextram bool
65
traceback uint8
66
waitunlockf unsafe.Pointer // todo go func(*g, unsafe.pointer) bool
67
waitlock unsafe.Pointer
68
waittraceev byte
69
waittraceskip int
70
startingtrace bool
71
syscalltick uint32
72
// 工作线程 id
73
thread uintptr // thread handle
74
75
// these are here because they are too large to be on the stack
76
// of low-level NOSPLIT functions.
77
libcall libcall
78
libcallpc uintptr // for cpu profiler
79
libcallsp uintptr
80
libcallg guintptr
81
syscall libcall // stores syscall parameters on windows
82
83
mOS
84
}
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再来看 P，取 processor 的首字母，为 M 的执行提供“上下文”，保存 M 执行 G 时的一些资源，例如本地可运行 G 队列，memeory cache 等。
一个 M 只有绑定 P 才能执行 goroutine，当 M 被阻塞时，整个 P 会被传递给其他 M ，或者说整个 P 被接管。
1
// p 保存 go 运行时所必须的资源
2
type p struct {
3
lock mutex
4
5
// 在 allp 中的索引
6
id int32
7
status uint32 // one of pidle/prunning/...
8
link puintptr
9
// 每次调用 schedule 时会加一
10
schedtick uint32
11
// 每次系统调用时加一
12
syscalltick uint32
13
// 用于 sysmon 线程记录被监控 p 的系统调用时间和运行时间
14
sysmontick sysmontick // last tick observed by sysmon
15
// 指向绑定的 m，如果 p 是 idle 的话，那这个指针是 nil
16
m muintptr // back-link to associated m (nil if idle)
17
mcache *mcache
18
racectx uintptr
19
20
deferpool [5][]*_defer // pool of available defer structs of different sizes (see panic.go)
21
deferpoolbuf [5][32]*_defer
22
23
// Cache of goroutine ids, amortizes accesses to runtime·sched.goidgen.
24
goidcache uint64
25
goidcacheend uint64
26
27
// Queue of runnable goroutines. Accessed without lock.
28
// 本地可运行的队列，不用通过锁即可访问
29
runqhead uint32 // 队列头
30
runqtail uint32 // 队列尾
31
// 使用数组实现的循环队列
32
runq [256]guintptr
33
34
// runnext 非空时，代表的是一个 runnable 状态的 G，
35
// 这个 G 被 当前 G 修改为 ready 状态，相比 runq 中的 G 有更高的优先级。
36
// 如果当前 G 还有剩余的可用时间，那么就应该运行这个 G
37
// 运行之后，该 G 会继承当前 G 的剩余时间
38
runnext guintptr
39
40
// Available G's (status == Gdead)
41
// 空闲的 g
42
gfree *g
43
gfreecnt int32
44
45
sudogcache []*sudog
46
sudogbuf [128]*sudog
47
48
tracebuf traceBufPtr
49
traceSwept, traceReclaimed uintptr
50
51
palloc persistentAlloc // per-P to avoid mutex
52
53
// Per-P GC state
54
gcAssistTime int64 // Nanoseconds in assistAlloc
55
gcBgMarkWorker guintptr
56
gcMarkWorkerMode gcMarkWorkerMode
57
runSafePointFn uint32 // if 1, run sched.safePointFn at next safe point
58
59
pad [sys.CacheLineSize]byte
60
}
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GPM 三足鼎力，共同成就 Go scheduler。G 需要在 M 上才能运行，M 依赖 P 提供的资源，P 则持有待运行的 G。你中有我，我中有你。
描述三者的关系：
曹大 golang notes GPM 三者关系
M 会从与它绑定的 P 的本地队列获取可运行的 G，也会从 network poller 里获取可运行的 G，还会从其他 P 偷 G。
最后我们从宏观上总结一下 GPM，这篇文章尝试从它们的状态流转角度总结。
首先是 G 的状态流转：
G 的状态流转图
说明一下，上图省略了一些垃圾回收的状态。
接着是 P 的状态流转：
P 的状态流转图
通常情况下（在程序运行时不调整 P 的个数），P 只会在上图中的四种状态下进行切换。 当程序刚开始运行进行初始化时，所有的 P 都处于_Pgcstop状态， 随着 P 的初始化（runtime.procresize），会被置于_Pidle。当 M 需要运行时，会runtime.acquirep来使 P 变成Prunning状态，并通过runtime.releasep来释放。当 G 执行时需要进入系统调用，P 会被设置为_Psyscall， 如果这个时候被系统监控抢夺（runtime.retake），则 P 会被重新修改为_Pidle。如果在程序运行中发生GC，则 P 会被设置为_Pgcstop， 并在runtime.startTheWorld时重新调整为_Prunning。
最后，我们来看 M 的状态变化：
M 的状态流转图
M 只有自旋和非自旋两种状态。自旋的时候，会努力找工作；找不到的时候会进入非自旋状态，之后会休眠，直到有工作需要处理时，被其他工作线程唤醒，又进入自旋状态。
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