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 {
    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
    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
    19.     param          unsafe.Pointer // passed parameter on wakeup
    20.     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
    24.     waitsince      int64  // approx time when the g become blocked
    25.     // g 被阻塞的原因
    26.     waitreason     string // if status==Gwaiting
    27.     // 指向全局队列里下一个 g
    28.     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
    36.     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
    60.     gcAssistBytes int64
    61. }

    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. }

    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. }

    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
    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
    15.     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
    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
    83.     mOS
    84. }

    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
    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
    20.     deferpool    [5][]*_defer // pool of available defer structs of different sizes (see panic.go)
    21.     deferpoolbuf [5][32]*_defer
    23.     // Cache of goroutine ids, amortizes accesses to runtime·sched.goidgen.
    24.     goidcache    uint64
    25.     goidcacheend uint64
    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
    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
    40.     // Available G's (status == Gdead)
    41.     // 空闲的 g
    42.     gfree    *g
    43.     gfreecnt int32
    45.     sudogcache []*sudog
    46.     sudogbuf   [128]*sudog
    48.     tracebuf traceBufPtr
    49.     traceSwept, traceReclaimed uintptr
    51.     palloc persistentAlloc // per-P to avoid mutex
    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
    59.     pad [sys.CacheLineSize]byte
    60. }

    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。