引擎盖下的引擎：Go 的 GMP、Java 的锁和 Erlang 的堆

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Introduction

作为后端工程师，我们常常把 并发 当作黑盒：我们写 go func(){} 或 spawn() 并期待奇迹。了解运行时如何调度这些任务，使高级工程师与架构师区别开来。

Source: …

GMP 调度器

Go 的调度器遵循 G‑M‑P 模型：

• 规则： M 必须拥有 P 才能运行 G。
• P = 逻辑核心数： 默认情况下 GOMAXPROCS 等于 CPU 核心数，限制并行度但允许无限并发。

何时创建 G？

每当调用 go func(){} 时就会创建一个 goroutine。它由 Go 运行时在用户空间分配，约占 2 KB，并被放入当前 P 的本地运行队列。

何时创建 M？

运行时会保持 M 的数量较低，仅在以下情况出现时才会生成新的 OS 线程：

1. 某个 goroutine 进行阻塞系统调用（例如 CGO、重文件 I/O），且该调用无法异步处理。
2. 当前 M 卡在 OS 内核内部。
3. 其他 P 正在等待工作但没有可用的 M（创建新 M 成本较高，约 1–2 MB）。

观察者：sysmon 与 SIGURG

sysmon 是什么？

sysmon（system monitor）是一个特殊的运行时线程，不持有 P，在专用的 M 上运行。它会定期（20 µs – 10 ms）唤醒，以强制公平性。

抢占是如何工作的

自 Go 1.14 起，调度器使用信号来强制工作窃取：

1. sysmon 扫描所有 Ps。如果它发现某个 goroutine 在处理器上运行时间超过 10 ms，就向执行该 goroutine 的 M 发送 SIGURG。
2. 为什么是 SIGURG？
   • 带外信号：现代应用很少使用，因此不会与用户信号冲突。
   • 非破坏性：不同于 SIGINT，它不会终止进程。
   • 与 libc 安全：对使用 CGO 的程序安全。
3. 操作系统中断该 M；Go 的信号处理器在 goroutine 的栈上注入对 asyncPreempt 的调用。
4. goroutine 让出 CPU，被移动到全局运行队列，P 选择新的 G 来运行。

模型比较：“通过共享内存进行通信” vs. “通过通信共享内存”

Go / Java：共享堆

所有线程共享同一块堆。数据通过修改共享对象来传递。

失效模式（Java 示例）

// Java: 显式锁定（瓶颈）
class Counter {
    private int count = 0;

    // synchronized 强制操作系统暂停其他线程（上下文切换）
    public synchronized void increment() {
        count++;
    }
}

• 竞争条件： 忘记使用 synchronized 会导致数据损坏。
• 性能： 锁需要操作系统介入，耗费数千个周期。
• 死锁： 循环等待会使应用冻结。

Erlang：私有堆

每个进程拥有自己的堆，消除了“嘈杂邻居”效应。

为什么 Erlang 更“好”（银行示例）

-module(bank_server).
-behaviour(gen_server).

%% 1. 安全的银行进程
init([]) -> {ok, 100}.   %% 余额为 100 美元

%% 2. 危险的崩溃进程
trigger_crash() ->
    spawn(fun() ->
        %% A. 这将在私有堆上分配 1 GB
        CrashList = lists:seq(1, 100000000),
        %% B. 立即崩溃
        1 / 0
    end).

• 分配： 被生成的进程在其私有堆上分配 1 GB。若在 Java/Go 中，这会填满全局堆并触发一次 stop‑the‑world GC。
• 崩溃： 进程因除零而死亡。
• 清理： Erlang VM 只需丢弃该私有堆。
• 零 GC 成本： 不需要扫描其他进程的内存。
• 零影响： bank_server 仍然以微秒级延迟继续处理 100 美元的余额，完全不受崩溃影响。

关键要点

• Java 的共享内存模型 给工程师带来了沉重的正确性负担，使得大规模并发更难以推理。
• Erlang 在可靠性方面表现出色，因为私有堆防止了“嘈杂的邻居”影响整个系统。
• Go 提供了务实的折中方案：它使用共享堆以获得原始速度（无需数据复制），同时鼓励 CSP 风格的通信（通道），以避免显式锁的复杂性。