在Go语言中，Goroutine是一种轻量级的线程，由Go运行时管理。由于Goroutine的创建和销毁成本相对较低，且能够高效地利用系统资源，因此它成为了Go并发编程的核心概念之一。然而，Goroutine的数量并不是无限制的，它受到多种因素的制约。所以这篇文章我们来一起讨论下Go项目中最多可以同时存在多少个Goroutine。

GPM模型

说到Goroutine，就不得不谈谈Go语言的重要机制：GPM模型。

Go语言的GPM模型是其并发编程的核心机制，它高效、灵活，并避免了线程阻塞和上下文切换的开销。

GPM模型的基本概念

GPM模型由三个主要组件构成：G（Goroutine）、P（Processor）和M（Machine）。

1）G（Goroutine）
：Goroutine是Go语言中的一种轻量级线程，由Go运行时（runtime）管理。每个Goroutine都有自己的函数体、堆栈、执行状态、寄存器上下文和程序计数器等信息。Goroutine的创建和销毁代价较低，可以大量创建以提高并发性。

2）P（Processor）：Processor是Go运行时抽象实现的一种资源，它代表了一组等待执行的Goroutine队列和一个执行环境。P的本地队列用于存放等待运行的Goroutine，其数量有限制（不超过256个）。当本地队列满了时，新的Goroutine会被放入全局队列中，或者将本地队列中的一部分Goroutine移动到全局队列以实现负载均衡。

3）M（Machine）：Machine是对操作系统内核线程的封装，作为真正的可调度执行单元。M与P之间存在绑定关系，一个M在同一时刻只能绑定一个P，但一个P可以被多个M绑定（当M被阻塞或创建新的M时）。M不断地从P的本地队列或全局队列中获取Goroutine并执行。

GPM模型的调度机制

GPM模型的调度机制分为两级调度：G到P的调度和M到CPU的调度。

G到P的调度

当创建一个新的Goroutine时，它会首先被放入某个P的本地队列中（如果队列未满）。

如果本地队列满了，新的Goroutine会被放入全局队列，或者将本地队列中的一半Goroutine移动到全局队列。

M在执行完一个Goroutine后，会从当前绑定的P的本地队列中获取下一个Goroutine执行。

M到CPU的调度

M作为内核线程的封装，由操作系统进行调度。

当一个M被唤醒或创建时，它会尝试绑定到一个P并获取其中的Goroutine执行。

如果当前没有可用的P（例如所有P的本地队列都为空），M可能会进入休眠状态或尝试从全局队列中获取Goroutine。

GPM模型中的关键机制

1）Work Stealing（任务窃取）：当一个M处于空闲状态时，它会尝试从其他M的P本地队列中窃取Goroutine来执行。这有助于平衡不同M之间的负载，提高系统的整体性能。

2）Hand Off（任务移交）：当一个P的队列中的Goroutine被阻塞时，P会尝试将剩余的Goroutine移交给其他空闲的M执行。这有助于避免M的浪费和保持系统的并发性。

3）抢占式调度：在Go语言中，为了避免某个Goroutine长时间占用CPU资源，引入了抢占式调度机制。当一个Goroutine执行时间超过一定阈值时（如10ms），它可能会被抢占并放入全局队列中等待重新调度。

4）全局队列与本地队列： 全局队列用于存放等待运行的Goroutine，它是所有P共享的。 本地队列则是每个P独有的，用于存放优先执行的Goroutine。

GPM模型的优势

高效并发：通过轻量级的Goroutine和高效的调度机制，GPM模型能够支持大量的并发任务。

避免线程阻塞：当某个Goroutine阻塞时，它不会占用M资源，而是将M释放给其他Goroutine使用。

负载均衡：通过Work Stealing和任务移交机制，GPM模型能够实现不同M之间的负载均衡。

低开销：相对于传统的线程调度模型，GPM模型的上下文切换开销更低。

综上所述，Go语言的GPM模型是一种高效、灵活且低开销的并发编程模型。它通过轻量级的Goroutine、高效的调度机制和关键机制（如Work Stealing、Hand Off、抢占式调度等）实现了高效的并发执行和负载均衡。

Goroutine的最大数量

从理论上看，Goroutine的数量是随着机器资源无限增加的。每个Goroutine只占用少量内存（初始栈空间很小，且可以动态增长），因此现代计算机的内存资源足以支持数百万甚至更多的Goroutine。然而，这并不意味着在实际应用中可以无限制地创建Goroutine。

影响Goroutine数量的主要因素

内存限制：每个Goroutine需要分配栈空间，虽然初始栈空间很小，但随着函数调用深度增加，栈空间会动态增长。因此，系统的总内存资源是限制Goroutine数量的主要因素之一。如果创建的Goroutine过多，可能会导致内存耗尽，进而影响系统的稳定性。

CPU资源：Goroutine的调度和任务执行都会占用CPU资源。当Goroutine数量过多时，CPU资源可能成为瓶颈，导致上下文切换频繁，进而影响程序的性能。

调度器效率：Go语言的调度器负责管理和调度Goroutine的执行。当Goroutine数量过多时，调度器的负担会加重，可能导致调度效率下降。

操作系统限制：操作系统对线程和进程的数量也有一定的限制。虽然Goroutine与操作系统线程之间不是一一对应的关系，但过多的Goroutine仍然可能间接影响系统的线程管理。

理论上的协程数量

理论上，Go程序中协程的数量主要受限于可用内存。每个协程初始栈空间约为2KB，随着协程执行，栈会动态增长。假设每个协程占用平均4KB内存，那么：

• 1GB内存：大约可支持250,000个协程。
• 10GB内存：大约可支持2,500,000个协程。

然而，实际情况中，系统和程序的其他部分也会占用内存，因此协程数量不能简单地按上述比例计算。

Go的运行时并未对协程数量设置严格的上限。然而，协程数量过多可能导致以下问题：

• 调度开销增加：虽然Go的调度器设计高效，但协程数量过多会增加调度器的负担，影响整体性能。
• 内存碎片：大量协程的动态栈增长可能导致内存碎片，降低内存利用率。

实践中对Goroutine数量的控制

在实际应用中，合理控制Goroutine的数量是非常重要的。以下是一些控制Goroutine数量的方法：

使用Channel进行限制：
可以使用带缓冲区的Channel来限制同时运行的Goroutine数量。当Channel已满时，新的Goroutine将被阻塞，直到有可用的空间为止。

使用sync.WaitGroup管理并发：sync.WaitGroup可以方便地等待一组Goroutine完成。

得出小结论

Goroutine的数量受到多种因素的制约，包括内存限制、CPU资源、调度器效率以及系统限制等。

在实践中，我们需要合理控制Goroutine的数量，以确保系统的稳定性和性能。通过使用Channel、sync.WaitGroup等工具，以及合理设计并发任务和监控调优等方法，我们可以更好地管理Goroutine的并发执行。

如何调整协程数量与CPU核数的比例

协程的数量和CPU核数有关吗？具体是什么关系？怎么进行比例的调整？

协程的数量和CPU核数确实存在一定的关系，但这种关系并不是绝对的，而是受到多种因素的影响。

逻辑处理器（P）与CPU核数

Go语言会根据当前机器的逻辑CPU个数来创建相应数量的逻辑处理器（P）。逻辑CPU个数可以通过runtime.NumCPU()函数获取，它包括了超线程技术下的逻辑核心数。

协程（G）与逻辑处理器（P）

协程（G）是由工作线程（M）调度和执行的。工作线程（M）是系统线程，由操作系统调度和管理。

在任何时刻，都只有与逻辑处理器（P）数量相等的协程（G）在同时运行（考虑到GOMAXPROCS的限制）。这是因为每个逻辑处理器（P）都会绑定一个工作线程（M）来执行协程（G）。

GOMAXPROCS的影响

通过设置环境变量GOMAXPROCS或调用runtime.GOMAXPROCS(n)函数，可以限制同时运行的逻辑处理器（P）的数量，也就是同时运行的协程（G）的数量上限。

如果不设置GOMAXPROCS，则默认使用所有逻辑CPU核心。

根据应用类型调整：

对于CPU密集型应用，应尽量减少协程数量，以避免过多的上下文切换带来的性能损耗。此时，可以将GOMAXPROCS设置为逻辑CPU核心数的1到2倍之间，以充分利用多核CPU资源。

对于IO密集型应用，可以开启更多的协程来并发处理IO操作。因为IO操作通常较慢，协程在等待IO时会被阻塞，不会占用CPU资源。此时，协程数量可以远大于CPU核心数。

考虑资源限制：

在调整协程数量与CPU核数的比例时，还需要考虑系统的内存资源限制。如果内存资源有限，过多的协程可能会导致内存不足的问题。因此，在调整比例时，需要综合考虑系统的内存资源、CPU资源以及应用需求等多个因素。

小总结

Go语言的协程模型为高并发应用提供了强大的支持，使得开发者能够轻松地管理数十万甚至数百万个并发任务。然而，协程数量并非越多越好，合理的协程管理和优化策略是确保系统高效运行的关键。通过理解影响协程数量的因素，应用最佳实践和优化方法，开发者可以构建出既高效又稳定的Go程序，满足现代企业对高并发和高可用性的需求。

关于协程的数量与CPU核数，这两者间确实存在一定的关系，但这种关系并不是绝对的。在实际应用中，需要根据应用类型、系统资源限制以及性能监控数据等多个因素来动态调整协程数量与CPU核数的比例。

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参考：

https://dev.to/crusty0gphr/tricky-golang-interview-questions-part-8-max-goroutine-number-1ep2

https://cloud.tencent.com/developer/article/1654647

https://blog.csdn.net/EDDYCJY/article/details/114696700

https://zhuanlan.zhihu.com/p/389029496

https://www.cnblogs.com/lvpengbo/p/13973906.html