在 Go 語言中，Goroutine 是并發模型的核心，而 P（Processor） 是 Go 調度器中的一個關鍵抽象。理解 Goroutine 調度模型 中的 G（Goroutine）、M（Machine，內核線程）、P（Processor，邏輯處理器） 的關系可以幫助我們理解 Go 的搶占式調度策略。

Go 調度器使用 G-M-P 模型：

• Goroutine (G)：一個 Goroutine 代表一個 Go 協程。
• Processor (P)：P 是邏輯處理器，負責調度和管理 Goroutine，最多有 GOMAXPROCS 個 P。每個 P 可以運行一個 Goroutine。
• Machine (M)：M 是操作系統的內核線程。每個 M 需要綁定一個 P 來執行 Goroutine。

#Go 中的搶占式調度

Go 的調度器采用的是協作式調度為主，搶占式調度為輔。協作式調度意味著 Goroutine 需要主動放棄控制權來讓其他 Goroutine 運行，比如調用系統調用或者 Goroutine 自己調用 runtime.Gosched()。

搶占式調度則是為了防止某些 Goroutine 占用 CPU 太久（比如某個 Goroutine 在長時間執行計算密集型任務），Go 1.14 引入了針對 計算密集型 Goroutine 的 搶占式調度。搶占式調度可以在以下場景下觸發：

• Goroutine 執行時間過長，特別是沒有主動進行系統調用、調度讓出等行為時。
• Goroutine 執行在較長的函數調用鏈上，或者在一些函數的棧幀擴展時（例如深度遞歸調用或大數組操作時）。

#搶占 P 的時機

1. 系統調用 (syscall) 后：當 Goroutine 執行系統調用后，Goroutine 會讓出 P，此時調度器可能會選擇調度其他的 Goroutine 來運行。
2. 垃圾回收 (GC) 階段：當觸發垃圾回收時，調度器會在合適時機搶占 Goroutine，確保 GC 可以進行。
3. 計算密集型任務被長時間運行：從 Go 1.14 開始，調度器會定期檢查長時間運行的 Goroutine，并進行搶占。

#搶占式調度與長時間運行的 Goroutine

下面的例子展示了一個 Goroutine 在執行計算密集型任務時如何可能會被 Go 的搶占式調度機制打斷。

package main

import (
	"fmt"
	"runtime"
	"time"
)

// 模擬一個計算密集型任務
func busyLoop() {
	for i := 0; i < 1e10; i++ {
		// 占用 CPU，但沒有主動讓出調度權
	}
	fmt.Println("Finished busy loop")
}

func main() {
	runtime.GOMAXPROCS(1) // 設置只有 1 個 P

	go func() {
		for {
			fmt.Println("Running another goroutine...")
			time.Sleep(500 * time.Millisecond) // 每 500 毫秒休息一次
		}
	}()

	busyLoop() // 執行計算密集型任務

	time.Sleep(2 * time.Second)
}

#代碼解析：

1. runtime.GOMAXPROCS(1)：我們將 GOMAXPROCS 設置為 1，意味著整個程序中只有一個 P，這樣所有 Goroutine 都只能在這個 P 上調度。
2. busyLoop：這是一個計算密集型任務，在沒有主動進行系統調用或讓出調度權的情況下，循環執行大量的操作，耗盡 CPU 時間。
3. 搶占：雖然 busyLoop 沒有主動讓出 CPU，但由于 Go 的搶占式調度機制，調度器可能會在合適的時間點打斷 busyLoop，讓其他 Goroutine（比如打印 "Running another goroutine..." 的那個 Goroutine）得到執行機會。

#輸出示例：

Running another goroutine...
Running another goroutine...
...
Finished busy loop

我們可以看到，盡管 busyLoop 是一個計算密集型任務，其他的 Goroutine 仍然會間歇性地被調度并執行。這個就是 Go 搶占式調度的效果。

#搶占的實現機制

搶占式調度的核心機制是 定期檢查 Goroutine 的執行時間。Go 調度器在后臺維護一個時間戳，記錄 Goroutine 上次被調度的時間。調度器每隔一段時間會檢查當前運行的 Goroutine，如果 Goroutine 占用了 CPU 超過一定時間，調度器就會標記這個 Goroutine 需要被搶占，然后調度其他的 Goroutine 來執行。

搶占式調度通過以下方式觸發：

1. 函數調用邊界：當 Goroutine 進行函數調用時，Go runtime 會在合適的時機插入搶占檢查點。
2. 棧增長：當 Goroutine 的棧增長（如遞歸調用導致棧內存增長）時，調度器也會插入搶占檢查。
3. GC 安全點：垃圾回收過程中，調度器也會嘗試搶占。

#通過代碼觀察搶占效果

我們可以通過使用 GODEBUG 環境變量，啟用搶占式調度的調試日志，觀察搶占調度的具體行為。運行如下代碼時，啟用調試模式：

GODEBUG=schedtrace=1000,scheddetail=1 go run main.go

• schedtrace=1000 表示每隔 1000 毫秒輸出一次調度器狀態。
• scheddetail=1 表示輸出詳細的調度器信息。

#輸出內容解釋

在輸出的調試信息中，我們可以看到調度器何時搶占了 Goroutine，何時讓出了 P，以及具體的調度行為。調試信息會包括如下內容：

• idle M：表示某個 M（線程）變成空閑狀態。
• new work：表示調度器找到了新的工作，分配給 P。
• steal work：表示調度器從其他 P 中竊取任務來運行。

#最后我們來總結一下

• Go 的調度器主要基于 協作式調度，但是對于計算密集型任務會通過 搶占式調度 機制防止長時間占用 CPU。
• 搶占調度在計算密集型 Goroutine、系統調用后、垃圾回收等場景下被觸發。
• Go 1.14 引入了針對長時間運行的 Goroutine 的搶占式調度，使得 Goroutine 不會因為計算密集任務長時間阻塞 CPU。

這使得 Go 語言能更加高效地運行并發程序，避免單個 Goroutine 長時間霸占 CPU，影響其他 Goroutine 的執行。