Как устроен планировщик задач в Go: кооперативная или вытесняющая многозадачность?

Планировщик задач в Go: кооперативная и вытесняющая многозадачность

• В Go применяется гибридный планировщик, объединяющий признаки кооперативной и вытесняющей многозадачности
• При кооперативной многозадачности goroutine добровольно передаёт управление во время блокирующих операций, например работы с каналами или syscalls
• При вытесняющей многозадачности планировщик принудительно переключает goroutines, если они продолжительное время выполняются без блокировок (runtime.preemptive)
• С Go 1.14 для вытеснения применяется асинхронный сигнал ОС (прерывание)
• Благодаря этому удаётся предотвратить "зависание" goroutines и справедливо распределять процессорное время
• В основе планировщика лежит трёхуровневая модель M (machine), P (processor), G (goroutine), которая эффективно распределяет goroutines между потоками ОС
• Такой механизм обеспечивает быструю и масштабируемую конкурентность при низких накладных расходах

Итог: планировщик Go объединяет эффективность кооперативной многозадачности со справедливостью вытесняющей, обеспечивая оптимальное выполнение goroutines.

Подробный ответ

Основной ответ

Планировщик в Go runtime использует гибридную модель, сочетающую вытесняющую и кооперативную многозадачность при управлении горутинами (goroutines). Внутри Go действует модель M:N: относительно небольшое количество системных потоков (M) обслуживает большое число пользовательских горутин (N). Планировщик должен эффективно передавать выполнение от одной горутины к другой, поддерживая высокую параллельность и небольшие задержки.

Ключевые моменты

• Механизм вытесняющей многозадачности опирается на таймеры и проверку preemption points. Если горутина выполняется слишком долго, планировщик способен приостановить её работу, добавляя специальные вызовы в компилируемый код (начиная с Go 1.14). Это предотвращает блокировку потоков продолжительными вычислениями.
• При кооперативной многозадачности горутина освобождает CPU в явных точках: при системных вызовах, блокирующих операциях с каналами, ожидании семафоров и других подобных действиях. В ранних версиях Go этот механизм был единственным, однако он по-прежнему играет важную роль в идиоматичной многозадачности.
• Горутины распределяются по OS-потокам с использованием принципа work-stealing. Это позволяет лучше загружать CPU и уменьшать latency переключений.
• Реализация планировщика находится в runtime (pkg runtime). Он отвечает за создание и уничтожение горутин, а также за переключение их контекста с минимальными накладными расходами.

Практический контекст

В прикладных системах Go благодаря вытесняющему планированию позволяет эффективно запускать миллионы лёгковесных горутин и быстро переключаться между ними. По сравнению с классической кооперативной моделью, использовавшейся, например, в ранних версиях зеленых потоков Java, это даёт преимущество: «тяжёлые» горутины не блокируют CPU, а многоядерные процессоры используются эффективнее.