Golang中select用法导致CPU占用100%的问题分析

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上一节( golang中有关select的几个知识点)中介绍了一些对于select{}的一些用法，今天介绍一下有关select在 for语句 中由于使用不当引起的CPU占用100% 的案例。

先看代码

package main

import (
	"fmt"
	"time"
)

func main() {
	ch := make(chan int, 10)
	// 读取chan
	go func() {
		for {
			select {
			case i := <-ch:
				// 只读取15次chan
				fmt.Println(i)
			default:
				// 读取15次chan以后的操作一直在这个空语句无任何IO操作的default条件里死循环，无法出让P，以保证一个GPM关系。
				// 而如果无default条件的话，则系统当读取完15次chan后，当前goroutine会发生 chan IO 阻塞, Go调度器根据GPM的调度关系,会将当前执行关系中的G切换出去，再从LRQ队列中取一个新的G，重新组成一个GPM继续执行，以实现合理利用计算机资源，提高GO的高并发性能
			}
		}
	}()
	// 写入10个值到chan
	for i := 0; i < 15; i++ {
		ch <- i
	}
	// 模拟程序效果使用
	time.Sleep(time.Minute)
}

实现功能

通过操作chan来实现消费者

问题现象

但在运行的时候，即发现CPU占用率100%，下面我们分析一下什么原因引起的。8f70268c7a19a44bb46b9910fa7da6a1golang

问题分析

程序运行时，先使用go关键字创建一个 goroutine，里面是一个 for 循环语句。for 语句里面通过 select{} 来监听是否有 chan 的 IO 操作，当 ch 中有可以读取的数据时，则将值打印出来。没有的话则执行 default 语句，而这里 default 语句为空，所以继续下一次for语句，for{} 是一个死循环语句。

当读取 15 次 ch 后，由于ch 会永远处于阻塞状态，所以会一直执行 default 条件，然后再执行 for 循环。此时这段逻辑基本演变成了一个空的 for{} 语句，所以会导致CPU占用 100%。

如果没有外层的 for{} 语句的话，这样写则没有任何问题的。

解决办法

既然我们知道这个 goroutine 会一直在死循环的执行空的语句，导致一直占用着 cpu 不放，我们只需要让当前goroutine出让CPU控制权给其它 goroutine 即可。根据 GPM调度原理，这里我们只需要让操作 chan 的IO语句进行阻塞即可，这样 Go Seched 就会发现goroutine发生阻塞，于是将当前 G 切换出去，重新调度一个新的G过来，开始一个新的GPM关系继续运行。 这里最简单的实现方法就注释掉 default 语句即可。将当前 goroutine 死循环状态变成阻塞状态。

注意这里的阻塞和执行空的 default 是两码事，阻塞是执行到这里主停止不再继续执行了，而这里有空的 default, 表示的是无执行代码，但本次循环是可以结束的，继续下一次循环，就是一个死循环而已。

对于Go中的阻塞需要了解一下有哪些场景会发生，可以参考上面提到的GPM文章。 常见的阻塞一般发生在像网络请求、系统调用进行磁盘IO操作、执行Sleep函数等，而针对每一种阻塞的处理方式也不一样。 如果是网络导致的阻塞的话，则直接将G切换到网络轮询器NetPoller继续执行, 为PM重新调度过来一个新的G继续执行，等网络请求完成后，再将G追加到LRQ的队列尾部等待再次执行。 而对于系统调用产生的IO阻塞这种情况，则 Go Seched 则直接将M和G同时切换出去，并保持MG继续执行IO操作，出让出来的P再分配一个新的MG继续执行。等原来IO操作完成后,将原来的G放入LRQ队列，等待P的再次执行，而原来的M放在一旁等待被重复调用使用。可以看到原来的G和M关系到此结束了，下次与G执行的M不一定是原来的M了， 所以G再次执行就需要知道运行状态，堆栈之类的信息，而这些正是存储在G的结构体中了。

对于GPM关系中的几个要点

Go 调度器模型我们通常叫做G-P-M 模型，他包括 4 个重要结构，分别是G、P、M、Sched。

  • G 并非执行体，每个 G 需要绑定到 P 才能被调度执行。
  • P 的数量决定了系统内最大可并行的 G 的数量（前提：物理 CPU 核数  >= P 的数量）。
  • M 并不保留 G 状态，这是 G 可以跨 M 调度的基础。M的数量是由Go Runtime来调整，目前默认最大限制为10000个。
  • Sched：Go 调度器，它维护有存储 M 和 G 的队列以及调度器的一些状态信息等。
  • Go 调度器中有两个不同的运行队列：全局运行队列(GRQ)和本地运行队列(LRQ)。
  • 多个 Goroutine 通过用户级别（用户态）的上下文切换来共享内核线程 M 的计算资源（内核态），但对于操作系统来说并没有线程上下文切换产生的性能损耗。

调度器循环的机制大致是从各种队列、P 的本地队列中获取 G，切换到 G 的执行栈上并执行 G 的函数，调用 Goexit 做清理工作并回到 M，如此反复。

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