golang 源码剖析(5): 并发调度

概述

基本流程

  1. 用go func() 创建G
  2. 放入P本地队列,或平衡到全局队列
  3. 唤醒或新建M执行任务
  4. 进入调度循环schedule
  5. 获取待执行G任务并执行
  6. 清理现场,重新进入调度循环

PMG

其实就是将cpu的控制更佳精细了,从原来的一个线程为最小单位改成了一个goroutine为单位。
P: Processor, 四类与CPU核,用来控制可同时并发执行的任务数量,每个工作线程必须要绑定一个P才能执行任务,否则只能休眠,知道有空闲P时被唤醒. P还为线程执行提供资源,比如对象分配内存,本地任务队列等。线程独享所绑定的P资源,可在无锁状态下高效操作

G: Goroutine,形成内的一切都在以goroutine方式运行,包括运行相关服务,main.main入口函数. 需要指出G并非执行体,它仅仅保存并发任务状态,为任务提供执行所需的栈内存空间。类似于线程的调用栈,只是goroutine更小,在用户态上操作,执行所需要的初始栈也很小,只要几kb,这也是能应对高并发的前提.

M: 进行的实际执行体,它和P绑定,以调度循环方式不停执行G并发任务。 M通过修改寄存器,将执行栈只想G自带的栈内存,并在此空间内分配堆栈帧,执行任务函数。当初中图切换时,只需要寄存器相关信息保存回G空间即可维持状态,任务M都可据此恢复执行。线程仅负责执行,不再持有状态,这是并发任务跨线程调度,实现多路复用的根本所在。

尽管P/M构成执行组合体,但是数量并非一一对应。P数量相对恒定,默认就是ncpu,也可能更多或者更少,runtime.GOMAXPROCS()可以设置最大限制. M则是由调度器按需创建的.

G初始栈仅有2KB,创建操作只是简单的在用户空间分配对象,远比进入内核态分配线程要简单的多. 调度器让多个M进入调度循环,不停获取并执行任务,所以才能创建成千上万个并发任务.

初始化

判段 len(allp) 和nprocs,看是否需要重新分配allp,或者new(p)创建新的P.
接着看g.m.p是否是合法id,也就是id<len(allp),如果不是的话则复用P,反之则将当前的p解绑,并绑定到allp[0]上
循环将多余的p直接p.destroy()进行释放。 然后遍历allp,如果p.runq为空,则放入空闲p队列,否则去m空闲队列中获取一个m与之绑定,最后返回有本地任务的P链表

所谓的释放就是将其对应的goroutine本地任务(pp.runq, pp.gFree, pp.runnext)移到全局queue中去, 将mcache置为nil,将本身标记为_Pdead

调用 procresize(procs)的地方有scheinit()startTheWorldWithSemaschedinit中除了当前线程外,其他均为空闲,startTheWorldWithSema则会唤醒所有有任务的p
注意: pp.gFree需要加锁,可能会有别的P到这里偷取任务.
runtime/proc.go

allp       []*p  // len(allp) == gomaxprocs; may change at safe points, otherwise immutable
func schedinit() {
    sched.maxmcount = 10000
    procs := ncpu
    if nprocs > int32(len(allp)) { //如果allp不够,会重新新建allp
            nallp := make([]*p, nprocs)
            // Copy everything up to allp's cap so we
            // never lose old allocated Ps.
            copy(nallp, allp[:cap(allp)])
            allp = nallp

    // initialize new P's
    for i := old; i < nprocs; i++ {
        pp := allp[i]
        if pp == nil {
            pp = new(p)
        }
        pp.init(i)
        atomicstorep(unsafe.Pointer(&allp[i]), unsafe.Pointer(pp))
    }
    _g_ := getg()
    if _g_.m.p != 0 && _g_.m.p.ptr().id < nprocs {
        // continue to use the current P
        _g_.m.p.ptr().status = _Prunning
        _g_.m.p.ptr().mcache.prepareForSweep()
    } else {
        if _g_.m.p != 0 {
            if trace.enabled {
                // Pretend that we were descheduled
                // and then scheduled again to keep
                // the trace sane.
                traceGoSched()
                traceProcStop(_g_.m.p.ptr())
            }
            _g_.m.p.ptr().m = 0
        }
        _g_.m.p = 0
        _g_.m.mcache = nil
        p := allp[0]
        p.m = 0
        p.status = _Pidle
        acquirep(p)
        if trace.enabled {
            traceGoStart()
        }
    // release resources from unused P's
    for i := nprocs; i < old; i++ {
        p := allp[i]
        p.destroy()
        // can't free P itself because it can be referenced by an M in syscall
    }
}

go参数入栈顺序是从右到左的,栈越往下地址越小

func main(){
  x := 0x100
  y := 0x200
  go add(x,y)
  time.Sleep(time.Second)
}

go tool objdump -s "main\.main" test

MOVL $0x18, 0(SP)  //第一个参数,长度,这个在栈底
LEAQ 0x3c355(IP), AX 
MOVQ AX, 0x8(SP) // 第二个参数,函数的地址
MOVQ $0x100, 0x10(SP) // 第三个, 函数的第一个参数
MOVQ $0x200, 0x18(SP)  // 第四个, 函数的第二个参数,在最上面
CALL runtime.newproc(SB)

runtime/proc.go中,newproc(siz int32, fn *funcval)只有2个参数,但main却压入了四个值,所以后面三个值应该被合成了funcval

func newproc(siz int32, fn *funcval) {}

goroutine的结构
stack为栈指针
sched 用于保存现场
startpc 任务函数
gcAssistBytes 用于gc 辅助信用,如果是正数,则不需要辅助gc

type g struct {
    // Stack parameters.
    // stack describes the actual stack memory: [stack.lo, stack.hi).
    // stackguard0 is the stack pointer compared in the Go stack growth prologue.
    // It is stack.lo+StackGuard normally, but can be StackPreempt to trigger a preemption.
    // stackguard1 is the stack pointer compared in the C stack growth prologue.
    // It is stack.lo+StackGuard on g0 and gsignal stacks.
    // It is ~0 on other goroutine stacks, to trigger a call to morestackc (and crash).
    stack       stack   // offset known to runtime/cgo
    stackguard0 uintptr // offset known to liblink
    stackguard1 uintptr // offset known to liblink
    m              *m      // current m; offset known to arm liblink
    sched          gobuf  //用于保存现场
    goid           int64
    gopc           uintptr         // pc of go statement that created this goroutine
    startpc        uintptr         // pc of goroutine function

    // gcAssistBytes is this G's GC assist credit in terms of
    // bytes allocated. If this is positive, then the G has credit
    // to allocate gcAssistBytes bytes without assisting. If this
    // is negative, then the G must correct this by performing
    // scan work. We track this in bytes to make it fast to update
    // and check for debt in the malloc hot path. The assist ratio
    // determines how this corresponds to scan work debt.
    gcAssistBytes int64

新建操作

  1. 从当前g.m.p的本地空闲列表中获取一个g, 如果为空,则去sched.gFree.stack,即有stack的空闲列表中获取一个,否则去sched.gFree.noStack中pop一个出来放在p.gFree中,也就是本地空闲列表中,如果stack为空,则申请一个stack.
    如果都为空,则调用malg申请一个最小(2kb)的goroutine,并放到allg列表中去.
  2. 计算需要的size并对齐
  3. 通过newg.stack.hi - totalSize确定sp和参数入栈位置的位置,也就是goroutine 的栈指针
  4. 将执行参数拷贝入栈
  5. 初始化用于保存现场的区域,也就是newg.sched相关参数
  6. 初始化基本状态
  7. 将newg的状态改为_Grunnable
  8. 设置goid
    9.放入当前p的qunq中去
    // The minimum size of stack used by Go code
    _StackMin = 2048
func newproc1(fn *funcval, argp *uint8, narg int32, callergp *g, callerpc uintptr) {
    _p_ := _g_.m.p.ptr()
    newg := gfget(_p_)
    if newg == nil {
        newg = malg(_StackMin)
        casgstatus(newg, _Gidle, _Gdead)
        allgadd(newg) // publishes with a g->status of Gdead so GC scanner doesn't look at uninitialized stack.
    }
    totalSize := 4*sys.RegSize + uintptr(siz) + sys.MinFrameSize // extra space in case of reads slightly beyond frame
    totalSize += -totalSize & (sys.SpAlign - 1)                  // align to spAlign
    sp := newg.stack.hi - totalSize
    spArg := sp
    if narg > 0 {
        memmove(unsafe.Pointer(spArg), unsafe.Pointer(argp), uintptr(narg)) //将原有的栈复制过来
    } 
    newg.sched.sp = sp
    newg.stktopsp = sp
    newg.sched.pc = funcPC(goexit) + sys.PCQuantum // +PCQuantum so that previous instruction is in same function
    newg.sched.g = guintptr(unsafe.Pointer(newg))
    gostartcallfn(&newg.sched, fn)
    newg.gopc = callerpc
    newg.startpc = fn.fn
    casgstatus(newg, _Gdead, _Grunnable)
    newg.goid = int64(_p_.goidcache)
    runqput(_p_, newg, true)
    if atomic.Load(&sched.npidle) != 0 && atomic.Load(&sched.nmspinning) == 0 && mainStarted {
        wakep()
    }
}

线程

当入队后会调用wakep(), 如果sched中没有spinning的m, 则重新新建一个m

// Tries to add one more P to execute G's.
// Called when a G is made runnable (newproc, ready).
func wakep() {
    // be conservative about spinning threads
    if !atomic.Cas(&sched.nmspinning, 0, 1) {
        return
    }
    startm(nil, true)
}

func startm(_p_ *p, spinning bool) {
    if _p_ == nil {
        _p_ = pidleget()
    }
    mp := mget() //从m空闲列表中获取一个mp
    // The caller incremented nmspinning, so set m.spinning in the new M.
    mp.spinning = spinning
    mp.nextp.set(_p_)
    // The caller incremented nmspinning, so set m.spinning in the new M.
    mp.spinning = spinning
    mp.nextp.set(_p_)
}

m的结构:
g0 用于提供系统栈空间
mstartfn 是启动函数
p 是当前绑定的P
next 是临时存放的P
spinning是自选状态

type m struct {
    g0      *g     // goroutine with scheduling stack
    mstartfn      func()
    curg          *g       // current running goroutine
    nextp         puintptr
    p             puintptr // attached p for executing go code (nil if not executing go code)
    spinning      bool // m is out of work and is actively looking for work
    park          note
    schedlink     muintptr
}

创建m
M最特别的就是自带一个名为g0,默认8KB栈内存的G对象属性, 作为系统线程的默认堆栈空间,当需要执行管理指令时, 会将线程栈临时切换到g0,于用户逻辑彻底隔离. 就经常看到systemstack这种执行方式就是切换到g0栈在执行相关管理操作的

// Create a new m. It will start off with a call to fn, or else the scheduler.
// fn needs to be static and not a heap allocated closure.
// May run with m.p==nil, so write barriers are not allowed.
//go:nowritebarrierrec
func newm(fn func(), _p_ *p) {
    mp := allocm(_p_, fn)
    mp.nextp.set(_p_)
    newm1(mp)
}

func newm1(mp *m) {
    newosproc(mp)
}
func newosproc(mp *m) {
    stk := unsafe.Pointer(mp.g0.stack.hi)
    ret := clone(cloneFlags, stk, unsafe.Pointer(mp), unsafe.Pointer(mp.g0), unsafe.Pointer(funcPC(mstart)))
}

M初始化,会检查m的数量,如果超过限制则会报错,mp.alllink = allm是防止垃圾回收

func mcommoninit(mp *m) {
    checkmcount()
    mpreinit(mp)
    // Add to allm so garbage collector doesn't free g->m
    // when it is just in a register or thread-local storage.
    mp.alllink = allm
}
func checkmcount() {
    // sched lock is held
    if mcount() > sched.maxmcount {
        print("runtime: program exceeds ", sched.maxmcount, "-thread limit\n")
        throw("thread exhaustion")
    }
}
// Called to initialize a new m (including the bootstrap m).
// Called on the parent thread (main thread in case of bootstrap), can allocate memory.
func mpreinit(mp *m) {
    mp.gsignal = malg(32 * 1024) // Linux wants >= 2K
    mp.gsignal.m = mp
}

获取M
mget

type schedt struct {
    midle        muintptr // idle m's waiting for work
    nmidle       int32    // number of idle m's waiting for work
    maxmcount    int32    // maximum number of m's allowed (or die)
}
// Try to get an m from midle list.
// Sched must be locked.
// May run during STW, so write barriers are not allowed.
//go:nowritebarrierrec
func mget() *m {
    mp := sched.midle.ptr()
    if mp != nil {
        sched.midle = mp.schedlink
        sched.nmidle--
    }
    return mp
}
func stopm() {
    _g_ := getg()
    mput(_g_.m)
    notesleep(&_g_.m.park)
    noteclear(&_g_.m.park)
}

执行

M执行并发任务有两个起点: 线程启动函数mstart,还有就是stopm休眠唤醒后再次恢复调度循环
对于无法使用g0 stack的系统,直接在系统堆栈上画出所需的空间
在schedule中,当获取到可用的G之后,会交友execute去执行,调用gogo(&gp.sched)

// mstart is the entry-point for new Ms.
func mstart() {
    osStack := _g_.stack.lo == 0
    if osStack {
        // Initialize stack bounds from system stack.
        // Cgo may have left stack size in stack.hi.
        // minit may update the stack bounds.
        size := _g_.stack.hi
        if size == 0 {
            size = 8192 * sys.StackGuardMultiplier
        }
        _g_.stack.hi = uintptr(noescape(unsafe.Pointer(&size)))
        _g_.stack.lo = _g_.stack.hi - size + 1024
    }
    mstart1()
}
func mstart1() {
    schedule()
}
func schedule(){
    if gp == nil {
        // Check the global runnable queue once in a while to ensure fairness.
        // Otherwise two goroutines can completely occupy the local runqueue
        // by constantly respawning each other.
        if _g_.m.p.ptr().schedtick%61 == 0 && sched.runqsize > 0 {
            lock(&sched.lock)
            gp = globrunqget(_g_.m.p.ptr(), 1)
            unlock(&sched.lock)
        }
    }
    execute(gp, inheritTime)
}
func execute(gp *g, inheritTime bool) {
    _g_ := getg()

    casgstatus(gp, _Grunnable, _Grunning)
    gp.waitsince = 0
    gp.preempt = false
    gp.stackguard0 = gp.stack.lo + _StackGuard
    if !inheritTime {
        _g_.m.p.ptr().schedtick++
    }
    _g_.m.curg = gp
    gp.m = _g_.m
    gogo(&gp.sched)
}

初始化完成后G栈顶端被亚茹了goexit地址,gogo函数执行完毕后,尾部的RET指定会将goexit地址恢复到PC/IP,从而实现任务街舞清理操作和再次进入调度循环.
asm_arm64.s

    MOVD    buf+0(FP), R5 //将&gp.sched移到R5
    MOVD    gobuf_g(R5), g // 将 gobuf.g移到g中
    BL  runtime·save_g(SB) //保存g

    MOVD    0(g), R4    // make sure g is not nil
    MOVD    gobuf_sp(R5), R0
    MOVD    R0, RSP // 通过恢复sp寄存器值切换到G栈
    MOVD    gobuf_bp(R5), R29
    MOVD    gobuf_lr(R5), LR
    MOVD    gobuf_ret(R5), R0
    MOVD    gobuf_ctxt(R5), R26
    MOVD    $0, gobuf_sp(R5) //清除数据帮助垃圾回收
    MOVD    $0, gobuf_bp(R5)
    MOVD    $0, gobuf_ret(R5)
    MOVD    $0, gobuf_lr(R5)
    MOVD    $0, gobuf_ctxt(R5)
    CMP ZR, ZR // set condition codes for == test, needed by stack split
    MOVD    gobuf_pc(R5), R6 //获取G任务函数地址
    B   (R6) //执行

procnewg.sched.pc保存的是funcPC(goexit)gostartcall中会原来的sp指针往下移动,并将goexit的指针放到ret的位置,再将pc的值改为真正执行的fn的地址

func newproc1(fn *funcval, argp *uint8, narg int32, callergp *g, callerpc uintptr) {
    newg.sched.pc = funcPC(goexit) + sys.PCQuantum // +PCQuantum so that previous instruction is in same function
    gostartcallfn(&newg.sched, fn)
}

// adjust Gobuf as if it executed a call to fn
// and then did an immediate gosave.
func gostartcallfn(gobuf *gobuf, fv *funcval) {
    var fn unsafe.Pointer
    if fv != nil {
        fn = unsafe.Pointer(fv.fn)
    } else {
        fn = unsafe.Pointer(funcPC(nilfunc))
    }
    gostartcall(gobuf, fn, unsafe.Pointer(fv))
}
// adjust Gobuf as if it executed a call to fn with context ctxt
// and then did an immediate gosave.
func gostartcall(buf *gobuf, fn, ctxt unsafe.Pointer) {
    sp := buf.sp
    if sys.RegSize > sys.PtrSize {
        sp -= sys.PtrSize
        *(*uintptr)(unsafe.Pointer(sp)) = 0
    }
    sp -= sys.PtrSize
    *(*uintptr)(unsafe.Pointer(sp)) = buf.pc
    buf.sp = sp
    buf.pc = uintptr(fn)
    buf.ctxt = ctxt
}

在goexit中,将G的状态改为dead, 并调用dropg将当前g关联的m和m->curg置为nil,将其放到gFree中去等待,最后调用schedule()开始下一轮的

    casgstatus(gp, _Grunning, _Gdead)
    dropg()
    gfput(_g_.m.p.ptr(), gp)
    schedule()

在schedule中,findrunnable用来查找需要需要运行的G,如果都找不到会runqsteal,从别的P的本地运行队列中偷取一半放到自己的本地队列中去,如果实在找不到,甚至会偷取runnext。

stackMore,扩容

stackguard0是g的第二个指针, 也就是0x10, 运行时会比较CMPQ 0x10(CX), SP ,如果SP比stackguard0小,则说明栈已经溢出,需要扩容,跳转到0x48cfc9的位置,执行runtime.morestack_noctxt(SB)

type g struct {
    stack       stack   // offset known to runtime/cgo
    stackguard0 uintptr // offset known to liblink
TEXT main.main(SB) /home/darcyaf/Development/go/src/readsrc/main.go
  main.go:8             0x48cfa0                64488b0c25f8ffffff      MOVQ FS:0xfffffff8, CX
  main.go:8             0x48cfa9                483b6110                CMPQ 0x10(CX), SP
  main.go:8             0x48cfad                761a                    JBE 0x48cfc9
  main.go:8             0x48cfaf                4883ec08                SUBQ $0x8, SP
  main.go:8             0x48cfb3                48892c24                MOVQ BP, 0(SP)
  main.go:8             0x48cfb7                488d2c24                LEAQ 0(SP), BP
  main.go:9             0x48cfbb                e870ffffff              CALL main.test(SB)
  main.go:10            0x48cfc0                488b2c24                MOVQ 0(SP), BP
  main.go:10            0x48cfc4                4883c408                ADDQ $0x8, SP
  main.go:10            0x48cfc8                c3                      RET
  main.go:8             0x48cfc9                e8d247fcff              CALL runtime.morestack_noctxt(SB)
  main.go:8             0x48cfce                ebd0                    JMP main.main(SB)

morestack_noctxt会调用newstack(),这里会分配oldsize*2的大小,最后通过gogo继续执行

func newstack() {
    // Allocate a bigger segment and move the stack.
    oldsize := gp.stack.hi - gp.stack.lo
    newsize := oldsize * 2
    if newsize > maxstacksize {
        print("runtime: goroutine stack exceeds ", maxstacksize, "-byte limit\n")
        throw("stack overflow")
    }
    casgstatus(gp, _Grunning, _Gcopystack)
    copystack(gp, newsize, true)
    casgstatus(gp, _Gcopystack, _Grunning)
    gogo(&gp.sched)
}

stackfree会释放栈空间,markrootgfput也会释放占空间,freeStackSpans会将stackpool中的空stack spans归还给heap
shrinkstack也尝试将大小收缩一半,如果使用量超过1/4则不会收缩

系统调用

为支持并发调度,Go专门对syscall,cgo进行了包装,以便在长时间阻塞时能切换执行其他任务. 在标准库syscall包里,将系统调用分为Syscall和RawSyscall
区别在于syscall增加了entersyscall/exitsyscall, 这是允许调度的关键所在.
reentersyscall会存储调用的pc和sp,并将g的状态改为_Gsyscall

监控

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