golang MPG 有限状态机

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golang
发布日期:   2020-09-29
更新日期:   2025-12-25
文章字数:   2.1k
阅读时长:   8 分

golang MPG 有限状态机简介

Golang 的运行时调度器（Scheduler）中，将协程（goroutine）的调度和执行建模为有限状态机，将涉及到 M（Machine，内核线程）、P（Processor，调度器的调度资源）、G（Goroutine，协程）三种核心对象。它们的状态变化按有限状态机方式驱动，实现高效协作。

下图描述了 MPG 的关系（见官方 Sched 源码注释，有经典状态图）。

去掉了 cgo 和 GC 的相关状态转化，以下是三者的常见状态机：

M（Machine）状态机

M 代表一个操作系统线程，主要用于执行 Go 代码。M 的主要状态有：

  • Idle（空闲）
  • Runnable（可运行/待分配 P）
  • Running（正在运行，已和 P 绑定）
  • Syscall（正在执行系统调用）
  • Dead（已退出）

状态流转关键点：

  • M 启动时是 Idle，调度分配到 P 后变为 Running。
  • M 进入系统调用时状态转为 Syscall，此时不参与 Go 代码的调度；系统调用返回后需重新绑定 P 后恢复 Running。
  • M 可被回收为 Dead。

流程例子：

  1. 创建/唤醒线程（Idle）→ 绑定调度器 P（Running）→ 执行 Go 代码。
  2. Running 执行 syscall（Syscall）→ syscall 返回后尝试重新获取 P（Running）。
  3. 没有可用任务 / 被回收（Dead）。

M（Machine）状态转换流程（Mermaid）

stateDiagram-v2
    [*] --> Idle: newm()
启动M
    Idle --> Running: acquirep()
绑定P
    Running --> Syscall: entersyscall()
发起系统调用
    Syscall --> Running: exitsyscall()
syscall返回并拿到P
    Idle --> Dead: stopm()
被回收
    Syscall --> Dead: stopm()
syscall中被强制回收
    Running --> Dead: goexit0()
执行结束
    Dead --> [*]

状态转换函数说明：

  • newm(): 创建新的 M 线程，初始状态为 Idle
  • acquirep(): M 从空闲 P 列表获取 P，绑定后进入 Running 状态
  • entersyscall(): M 进入系统调用，状态转为 Syscall，释放 P
  • exitsyscall(): 系统调用返回，尝试重新获取 P，成功则进入 Running
  • stopm(): 停止 M，将 M 状态设为 Dead，可能被回收
  • goexit0(): G 执行完毕，M 可能进入空闲或退出

P（Processor）状态机

P 表示调度器调度资源，是 M 执行 G 的上下文。P 的主要状态：

  • Idle（空闲）
  • Runnable（可运行、与 M 绑定）
  • Running（正和某个 M 绑定执行任务）
  • Syscall（被 M 进入 syscall 暂时挂起）
  • Dead（被回收）

状态关键流程：

  • 程序启动初始化 N 个 P，P 空闲时位于 Idle 列表。
  • M 获取 P 后，P 变为 Running。
  • M 进入 syscall，P 会被其它 M 夺走。
  • 当 GOMAXPROCS 调整数减少时，多余的 P 会回收成 Dead。

P（Processor）状态转换流程（Mermaid）

stateDiagram-v2
    [*] --> Idle: procresize()
初始化/回收到Idle池
    Idle --> Running: acquirep()
被M绑定
    Running --> Syscall: entersyscall()
进入系统调用
    Syscall --> Running: handoffp()
其他M抢占
    Running --> Idle: releasep()
M释放P
    Idle --> Dead: procresize()
GOMAXPROCS减少
    Dead --> [*]

状态转换函数说明：

  • procresize(): 调整 P 的数量，初始化 P 或回收多余的 P
  • acquirep(): M 从空闲列表获取 P，P 状态转为 Running
  • entersyscall(): M 进入系统调用，P 被释放，状态转为 Syscall
  • handoffp(): 当 M 进入系统调用时，P 被其他 M 抢占，状态转为 Running
  • releasep(): M 释放 P，将 P 放回空闲列表，状态转为 Idle
  • pidleget(): 从空闲 P 列表获取 P（内部调用）
  • pidleput(): 将 P 放回空闲列表（内部调用）

G（Goroutine）状态机

G 代表 Go 协程，也是调度的最小单位。状态包括：

  • Idle（空闲，未运行）
  • Runnable（可就绪，等待调度）
  • Running（正在 M/P 上执行）
  • Syscall（进入 syscall，挂起等待）
  • Waiting（被阻塞，等信号/定时器/chan 等）
  • Dead（退出，被回收）

G 状态流转举例：

  1. 创建协程时，G 为 Idle → 放入可运行队列变为 Runnable。
  2. 被 M/P 调度后 Running，运行完成后 Dead。
  3. 阻塞（如 chan recv）则 Waiting，等待事件恢复后重变为 Runnable。
  4. 执行 syscall 时则 Syscall，完成后变 Running 或 Runnable。

G（Goroutine）状态转换流程（Mermaid）

stateDiagram-v2
    [*] --> Idle: newproc()
新建/初始化
    Idle --> Runnable: ready()
就绪
    Runnable --> Running: execute()
被调度到M/P上
    Running --> Waiting: park()
IO/chan阻塞
    Waiting --> Runnable: goready()
解除阻塞
    Running --> Syscall: entersyscall()
进入系统调用
    Syscall --> Runnable: exitsyscall()
系统调用返回
    Running --> Dead: goexit()
运行结束
    Dead --> [*]

状态转换函数说明：

  • newproc(): 创建新的 G，初始状态为 Idle
  • ready(): 将 G 放入可运行队列（本地或全局），状态转为 Runnable
  • execute(): M 执行 G，G 状态转为 Running
  • park(): G 被阻塞（如 chan 操作、锁等待），状态转为 Waiting
  • goready(): 唤醒被阻塞的 G，将其放入可运行队列，状态转为 Runnable
  • entersyscall(): G 进入系统调用，状态转为 Syscall，M 可能释放 P
  • exitsyscall(): 系统调用返回，G 状态转为 Runnable，等待重新调度
  • goexit(): G 执行完毕，状态转为 Dead，可能被回收

整体 MPG 协作图示意

  • M 获取 P 执行 G
  • M 从全局/本地可运行队列取 G 执行
  • G 执行被阻塞/进入 syscall，会释放 M 或 P
  • 状态变迁由调度组件通过原子操作与锁维护

状态转换函数详解

M（Machine）相关函数

函数名 功能说明 位置
newm() 创建新的 M 线程，调用 newm1() 创建系统线程，初始状态为 Idle runtime/proc.go
acquirep() M 从空闲 P 列表获取 P，绑定后进入 Running 状态，开始执行 G runtime/proc.go
releasep() M 释放 P，将 P 放回空闲列表，M 可能进入 Idle 状态 runtime/proc.go
handoffp() 将 P 移交给其他 M，用于系统调用返回后的 P 重新分配 runtime/proc.go
stopm() 停止 M，将 M 状态设为 Dead，M 进入休眠或退出 runtime/proc.go
entersyscall() M 进入系统调用，释放 P，状态转为 Syscall runtime/proc.go
exitsyscall() 系统调用返回，尝试重新获取 P，成功则进入 Running runtime/proc.go
startm() 启动一个空闲的 M 或创建新的 M 来执行 P runtime/proc.go

P（Processor）相关函数

函数名 功能说明 位置
procresize() 调整 P 的数量，初始化 P 或回收多余的 P，用于 GOMAXPROCS 调整 runtime/proc.go
acquirep() M 从空闲列表获取 P，P 状态转为 Running runtime/proc.go
releasep() M 释放 P，将 P 放回空闲列表，状态转为 Idle runtime/proc.go
pidleget() 从空闲 P 列表获取 P（内部函数） runtime/proc.go
pidleput() 将 P 放回空闲列表（内部函数） runtime/proc.go
handoffp() 当 M 进入系统调用时，P 被其他 M 抢占，状态转为 Running runtime/proc.go
entersyscall() M 进入系统调用，P 被释放，状态转为 Syscall runtime/proc.go

G（Goroutine）相关函数

函数名 功能说明 位置
newproc() 创建新的 G，调用 newproc1() 创建协程结构体，初始状态为 Idle runtime/proc.go
ready() 将 G 放入可运行队列（本地 runq 或全局 runq），状态转为 Runnable runtime/proc.go
execute() M 执行 G，G 状态转为 Running，开始执行用户代码 runtime/proc.go
park() G 被阻塞（如 chan 操作、锁等待、select 阻塞），状态转为 Waiting runtime/proc.go
goready() 唤醒被阻塞的 G，将其放入可运行队列，状态转为 Runnable runtime/proc.go
goexit() G 执行完毕，调用 goexit1() 清理资源，状态转为 Dead runtime/proc.go
goexit0() G 退出后的清理工作，将 G 放回空闲列表，M 继续调度其他 G runtime/proc.go
entersyscall() G 进入系统调用，状态转为 Syscall，M 可能释放 P runtime/proc.go
exitsyscall() 系统调用返回，G 状态转为 Runnable，等待重新调度 runtime/proc.go
findrunnable() M 查找可运行的 G，从本地队列、全局队列、网络轮询器获取 runtime/proc.go
runqput() 将 G 放入运行队列（本地或全局） runtime/proc.go
runqget() 从运行队列获取 G runtime/proc.go

调度器核心函数

函数名 功能说明 位置
schedule() 调度器的核心函数，M 获取 P 后调用，查找并执行 G runtime/proc.go
findrunnable() 查找可运行的 G，按优先级从本地队列、全局队列、网络轮询器获取 runtime/proc.go
wakep() 唤醒空闲的 M 或创建新的 M 来执行 P runtime/proc.go
stopTheWorld() 停止所有 M，用于 GC 等场景 runtime/proc.go
startTheWorld() 恢复所有 M，继续执行 runtime/proc.go

参考：

  • Go 源码 runtime/proc.go
  • Go官方文档与调度器注释
  • 《Go 语言实现原理》专栏
文章作者: djaigo
文章链接: https://blog.djaigo.com/golang/golang-mpg-you-xian-zhuang-tai-ji.html
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