golang上下文切换测试

引入

golang是一门高性能的编程语言，基于其轻量，高效的的Goroutine的设计，可以实现很小的协程切换开销。
本文将解释一下基本的协程相关的原理，并实际做一个小的测试，去得到其实际的切换开销

原理

协程

协程（Coroutine）是一种更轻量级的并发编程方式，他是在用户态实现的，相比于线程进程更加轻量，拥有更小的上下文切换开销，栈空间等等。
协程主要分为两种类型：

• 有栈协程：以Golang为代表
• 无栈协程：以c++(cpp20协程),python（asyncio）为代表

特性	有栈协程	无栈协程
栈空间	协程拥有自己的独立栈，可以进行任意深度的嵌套调用和挂起。	协程不拥有独立栈，通常基于状态机实现，挂起点有限。
切换时机	任意位置进行切换	挂起点进行切换
切换开销	开销相对较高	开销相对较低，几乎接近于函数调用开销
内存占用	固定或浮动大小栈内存（如Goroutine是最小2kb)	没有栈内存，开销小

Goroutine是有栈协程，因此还是存在一定的切换开销，另外其栈是在堆空间分配的连续一块内存，最小是2kb，不够用会选一个新的地方拷贝扩容

GMP模型

golang runtime采用了GMP模型去进行协程的调度，具体为：

G: Goroutine
M: Machine，对应操作系统的线程
P: Processor，逻辑处理器

大体的流程如下：

• G创建后加入到本地运行队列或者全局运行队列，并尝试唤醒一个P去执行
• M启动后，不停的寻找一个P，并运行他上边的G
• 如果M上找得到P，但是P上没有任务，也会把P休眠
• 如果M找不到P，则会将自己休眠
• 后台会运行一个sysmon, 去抢占运行时间过长的G

根据原理，G的切换有几种情况：

• 两个G在同一个M上：此时协程切换的开销比较小
• 两个G在不同M上：此时协程切换的开销等价于线程切换的开销

测试

测试代码

下面的测试代码有两个测试任务：

• BenchmarkGoroutineSwitchWithGosched: 不断的让协程通过runtime.Gosched触发主动切出切入
• BenchmarkThreadSwitchWithGosched: 两个协程分别运行在两个线程上，他们互相进行切换

package main

import (
	"runtime"
	"sync"
	"testing"

	"golang.org/x/sys/unix"
)

// 测试 Goroutine 切换的开销，使用 runtime.Gosched()
func BenchmarkGoroutineSwitchWithGosched(b *testing.B) {
	// 运行 b.N 次，模拟 Goroutine 切换
	for i := 0; i < b.N; i++ {
		runtime.Gosched() // 主动触发 Goroutine 切换
	}
}

func BenchmarkThreadSwitchWithGosched(b *testing.B) {
	// 运行 b.N 次，模拟 Goroutine 切换
	runtime.GOMAXPROCS(2)
	wg := sync.WaitGroup{}
	run := func() {
		tid := unix.Gettid() // 获取线程 ID
		b.Logf("Goroutine running on thread ID: %d", tid)
		runtime.LockOSThread() //锁定当前协程到当前线程上
		for i := 0; i < b.N; i++ {
			runtime.Gosched() // 主动触发 Goroutine 切换
		}
		wg.Done()
	}
	wg.Add(1)
	go run()
	wg.Add(1)
	go run()

	wg.Wait()
	b.Logf("Goroutine running done")
}

go test -bench .

测试结果

goos: linux
goarch: amd64
pkg: go-test/context-switch
cpu: 13th Gen Intel(R) Core(TM) i7-13700K
BenchmarkGoroutineSwitchWithGosched-24          12298116                97.66 ns/op
BenchmarkThreadSwitchWithGosched-24                47210             25405 ns/op
--- BENCH: BenchmarkThreadSwitchWithGosched-24
    main_test.go:25: Goroutine running on thread ID: 1397207
    main_test.go:25: Goroutine running on thread ID: 1397208
    main_test.go:38: Goroutine running done
    main_test.go:25: Goroutine running on thread ID: 1397204
    main_test.go:25: Goroutine running on thread ID: 1397202
    main_test.go:38: Goroutine running done
    main_test.go:25: Goroutine running on thread ID: 1397209
    main_test.go:25: Goroutine running on thread ID: 1397206
    main_test.go:38: Goroutine running done
    main_test.go:25: Goroutine running on thread ID: 1397256
        ... [output truncated]
testing: BenchmarkThreadSwitchWithGosched-24 left GOMAXPROCS set to 2
PASS
ok      go-test/context-switch        2.761s

根据测试结果，可以得到在作者的配置上边，可以得到：

类别	耗时
协程切换(同一线程)	97.66ns
协程切换(不同线程)	25.405us