Golang原始碼學習：排程邏輯（三）工作執行緒的執行流程與排程迴圈

蝦敏四把刀發表於2020-05-27
Golang原始碼執行緒

本文內容主要分為三部分：

  1. main goroutine 的排程執行
  2. 非 main goroutine 的退出流程
  3. 工作執行緒的執行流程與排程迴圈。

main goroutine 的排程執行

runtime·rt0_go中在呼叫完runtime.newproc建立main goroutine後，就呼叫了runtime.mstart。讓我們來分析一下這個函式。

mstart

mstart沒什麼太多工作，然後就呼叫了mstart1。

func mstart() {
	_g_ := getg()
        // 在啟動階段，_g_.stack早就完成了初始化，所以osStack是false，下面被省略的也不會執行。
	osStack := _g_.stack.lo == 0 
	......
	_g_.stackguard0 = _g_.stack.lo + _StackGuard
	_g_.stackguard1 = _g_.stackguard0
	mstart1()
        ......
	mexit(osStack)
}

mstart1

  • 呼叫save儲存g0的狀態
  • 處理訊號相關
  • 呼叫 schedule 開始排程
func mstart1() {
	_g_ := getg()

	if _g_ != _g_.m.g0 {
		throw("bad runtime·mstart")
	}
	save(getcallerpc(), getcallersp())	// 儲存呼叫mstart1的函式（mstart）的 pc 和 sp。
	asminit()				// 空函式
	minit()					// 訊號相關

	if _g_.m == &m0 {			// 初始化時會執行這裡，也是訊號相關
		mstartm0()
	}

	if fn := _g_.m.mstartfn; fn != nil {	// 初始化時 fn = nil，不會執行這裡
		fn()
	}

	if _g_.m != &m0 {			// 不是m0的話，沒有p。繫結一個p
		acquirep(_g_.m.nextp.ptr())
		_g_.m.nextp = 0
	}
	schedule()
}

save(pc, sp uintptr) 儲存排程資訊

儲存當前g（初始化時為g0）的狀態到sched欄位中。

func save(pc, sp uintptr) {
	_g_ := getg()
	_g_.sched.pc = pc
	_g_.sched.sp = sp
	_g_.sched.lr = 0
	_g_.sched.ret = 0
	_g_.sched.g = guintptr(unsafe.Pointer(_g_))
	if _g_.sched.ctxt != nil {
		badctxt()
	}
}

schedule 開始排程

呼叫globrunqget、runqget、findrunnable獲取一個可執行的g

func schedule() {
	_g_ := getg()	// g0
        ......
	var gp *g	// 初始化時，經過下面一系列查詢，會找到main goroutine，因為目前為止整個執行時只有這一個g（除了g0）。
	var inheritTime bool
        ......
	if gp == nil {
                // 該p上每進行61次就從全域性佇列中獲取一個g
		if _g_.m.p.ptr().schedtick%61 == 0 && sched.runqsize > 0 {
			lock(&sched.lock)
			gp = globrunqget(_g_.m.p.ptr(), 1)
			unlock(&sched.lock)
		}
	}
	if gp == nil {
                // 從p的runq中獲取一個g
		gp, inheritTime = runqget(_g_.m.p.ptr())
		// We can see gp != nil here even if the M is spinning,
		// if checkTimers added a local goroutine via goready.
	}
	if gp == nil {
                // 尋找可執行的g，會嘗試從本地，全域性執行對列獲取，如果沒有，從其他p那裡偷取。
		gp, inheritTime = findrunnable() // blocks until work is available
	}
	......
	execute(gp, inheritTime)
}

execute：安排g在當前m上執行

  • 被排程的 g 與 m 相互繫結
  • 更改g的狀態為 _Grunning
  • 呼叫 gogo 切換到被排程的g上
func execute(gp *g, inheritTime bool) {
	_g_ := getg()	// g0

	_g_.m.curg = gp	// 與下面一行是 gp 和 m 相互繫結。gp 其實就是 main goroutine
	gp.m = _g_.m
	casgstatus(gp, _Grunnable, _Grunning)	// 更改狀態
	gp.waitsince = 0
	gp.preempt = false
	gp.stackguard0 = gp.stack.lo + _StackGuard
	if !inheritTime {
		_g_.m.p.ptr().schedtick++
	}
	......
	gogo(&gp.sched)
}

gogo(buf *gobuf)

在本方法下面的講解中將使用newg代指被排程的g。

gogo函式是用匯編實現的。其作用是：載入newg的上下文，跳轉到gobuf.pc指向的函式。

// go/src/runtime/asm_amd64.s
TEXT runtime·gogo(SB), NOSPLIT, $16-8
	MOVQ	buf+0(FP), BX		// bx = &gp.sched
	MOVQ	gobuf_g(BX), DX		// dx = gp.sched.g ，也就是儲存的 newg 指標
	MOVQ	0(DX), CX		// make sure g != nil
	get_tls(CX)
	MOVQ	DX, g(CX)		// newg指標設定到tls
	MOVQ	gobuf_sp(BX), SP	// 下面四條是載入上下文到cpu暫存器。
	MOVQ	gobuf_ret(BX), AX
	MOVQ	gobuf_ctxt(BX), DX
	MOVQ	gobuf_bp(BX), BP
	MOVQ	$0, gobuf_sp(BX)	// 下面四條是清零，減少gc的工作量。
	MOVQ	$0, gobuf_ret(BX)
	MOVQ	$0, gobuf_ctxt(BX)
	MOVQ	$0, gobuf_bp(BX)
	MOVQ	gobuf_pc(BX), BX	// gobuf.pc 儲存的是要執行的函式指標，初始化時此函式為runtime.main
	JMP	BX			// 跳轉到要執行的函式

runtime.main：main函式的執行

在上面gogo執行最後的JMP指令，其實就是跳轉到了runtime.main。

func main() {
	g := getg()		// 獲取當前g，已經不是g0了，我們暫且稱為maing
        
	if sys.PtrSize == 8 {	// 64位系統，棧最大為1GB
		maxstacksize = 1000000000
	} else {
		maxstacksize = 250000000
	}
	mainStarted = true
        // 啟動監控程式，搶佔排程就是在這裡實現的
	if GOARCH != "wasm" { // no threads on wasm yet, so no sysmon
		systemstack(func() {
			newm(sysmon, nil)
		})
	}
        ......
	doInit(&runtime_inittask)	// 呼叫runtime的初始化函式
        ......
	runtimeInitTime = nanotime()	// 記錄世界開始時間
	gcenable()			// 開啟gc
	......
	doInit(&main_inittask)		// 呼叫main的初始化函式
        ......
	fn := main_main			// 呼叫main.main，也就是我們經常寫hello world的main。
	fn()
        ......
	exit(0)				// 退出
}

runtime.main主要做了以下的工作：

  • 啟動監控程式。
  • 呼叫runtime的初始化函式。
  • 開啟gc。
  • 呼叫main的初始化函式。
  • 呼叫main.main，執行完後退出。

非 main goroutine 的退出流程

首先明確一點，無論是main goroutine還是非main goroutine的都是呼叫newproc建立的，所以在排程上基本是一致的。

之前的文章中說過，在gostartcall函式中，會將goroutine要執行的函式fn偽造成是被goexit呼叫的。但是，當fn是runtime.main的時候是沒有用的，因為在runtime.main末尾會呼叫exit(0)退出程式。所以，這隻對非main goroutine起作用。讓我們簡單驗證一下。

先給出一個簡單的例子：

package main

import "fmt"

func main() {
	ch := make(chan int)
	go foo(ch)
	fmt.Println(<-ch)
}

func foo(ch chan int) {
	ch <- 1
}

dlv除錯一波：

root@xiamin:~/study# dlv debug foo.go
(dlv) b main.foo // 打個斷點
Breakpoint 1 set at 0x4ad86f for main.foo() ./foo.go:11
(dlv) c
> main.foo() ./foo.go:11 (hits goroutine(6):1 total:1) (PC: 0x4ad86f)
     6:		ch := make(chan int)
     7:		go foo(ch)
     8:		fmt.Println(<-ch)
     9:	}
    10:
=>  11:	func foo(ch chan int) {
    12:		ch <- 1
    13:	}
(dlv) bt // 可以看到呼叫棧中確實存在goexit
0  0x00000000004ad86f in main.foo
   at ./foo.go:11
1  0x0000000000463df1 in runtime.goexit
   at /root/go/src/runtime/asm_amd64.s:1373

// 此處執行三次 s，得到以下結果，確實是回到了goexit。

> runtime.goexit() /root/go/src/runtime/asm_amd64.s:1374 (PC: 0x463df1)
  1370:	// The top-most function running on a goroutine
  1371:	// returns to goexit+PCQuantum.
  1372:	TEXT runtime·goexit(SB),NOSPLIT,$0-0
  1373:		BYTE	$0x90	// NOP
=>1374:		CALL	runtime·goexit1(SB)	// does not return
  1375:		// traceback from goexit1 must hit code range of goexit
  1376:		BYTE	$0x90	// NOP

我們暫且將關聯foo的g稱之為foog，接下來我們看一下它的退出流程。

goexit

TEXT runtime·goexit(SB),NOSPLIT,$0-0
	BYTE	$0x90	// NOP
	CALL	runtime·goexit1(SB)	// does not return
	// traceback from goexit1 must hit code range of goexit
	BYTE	$0x90	// NOP

goexit1

func goexit1() {
	if raceenabled {
		racegoend()
	}
	if trace.enabled {
		traceGoEnd()
	}
	mcall(goexit0)
}

goexit和goexit1沒什麼可說的，看一下mcall

mcall(fn func(*g))

mcall的引數是個函式fn，而fn有個引數是*g，此處fn是goexit0。

mcall是由彙編編寫的：

TEXT runtime·mcall(SB), NOSPLIT, $0-8
	MOVQ	fn+0(FP), DI	// 此處 di 儲存的是 funcval 結構體指標，funcval.fn 指向的是 goexit0。

	get_tls(CX)
	MOVQ	g(CX), AX	// 此處 ax 中儲存的是foog

        // 儲存foog的上下文
	MOVQ	0(SP), BX	// caller's PC。mcall的返回地址，此處就是 goexit1 呼叫 mcall 時的pc
	MOVQ	BX, (g_sched+gobuf_pc)(AX)	// foog.sched.pc = caller's PC
	LEAQ	fn+0(FP), BX			// caller's SP。
	MOVQ	BX, (g_sched+gobuf_sp)(AX)	// foog.sched.sp = caller's SP
	MOVQ	AX, (g_sched+gobuf_g)(AX)	// foog.sched.g = foog
	MOVQ	BP, (g_sched+gobuf_bp)(AX)	// foog.sched.bp = bp

        // 切換到m.g0和它的棧，呼叫fn。
	MOVQ	g(CX), BX			// 此處 bx 中儲存的是foog
	MOVQ	g_m(BX), BX			// bx = foog.m
	MOVQ	m_g0(BX), SI			// si = m.g0
	CMPQ	SI, AX				// if g == m->g0 call badmcall
	JNE	3(PC)				// 上面的結果不相等就跳轉到下面第三行。
	MOVQ	$runtime·badmcall(SB), AX
	JMP	AX
	MOVQ	SI, g(CX)			// g = m->g0。m.g0設定到tls
	MOVQ	(g_sched+gobuf_sp)(SI), SP	// sp = m->g0->sched.sp。設定g0棧.
	PUSHQ	AX				// fn的引數壓棧，ax = foog
	MOVQ	DI, DX
	MOVQ	0(DI), DI			// 讀取 funcval 結構的第一個成員，也就是 funcval.fn，此處是goexit0。
	CALL	DI				// 呼叫 goexit0(foog)。
	POPQ	AX
	MOVQ	$runtime·badmcall2(SB), AX
	JMP	AX
	RET

在此場景下，mcall做了以下工作：儲存foog的上下文。切換到g0及其棧，呼叫傳入的方法，並將foog作為引數。

可以看到mcall與gogo的作用正好相反：

  • gogo實現了從g0切換到某個goroutine，執行關聯函式。
  • mcall實現了儲存某個goroutine，切換到g0及其棧，並呼叫fn函式，其引數就是被儲存的goroutine指標。

goexit0

func goexit0(gp *g) {
	_g_ := getg()	// g0

	casgstatus(gp, _Grunning, _Gdead)	// 更改gp狀態為_Gdead
	if isSystemGoroutine(gp, false) {
		atomic.Xadd(&sched.ngsys, -1)
	}
        // 下面的一段就是清零gp的屬性
	gp.m = nil
	locked := gp.lockedm != 0
	gp.lockedm = 0
	_g_.m.lockedg = 0
	gp.preemptStop = false
	gp.paniconfault = false
	gp._defer = nil // should be true already but just in case.
	gp._panic = nil // non-nil for Goexit during panic. points at stack-allocated data.
	gp.writebuf = nil
	gp.waitreason = 0
	gp.param = nil
	gp.labels = nil
	gp.timer = nil
	......
	dropg()				// 解綁gp與當前m。_g_.m.curg.m = nil ; _g_.m.curg = nil 。
        ......
	gfput(_g_.m.p.ptr(), gp)	// 放入空閒列表。如果本地佇列太多，會轉移一部分到全域性佇列。
	......
	schedule()			// 重新排程
}

goexit0做了以下工作：

  • 將gp屬性清零與m解綁
  • gfput 放入空閒列表
  • schedule 重新排程

工作執行緒的執行流程與排程迴圈

以下給出一個工作執行緒的執行流程簡圖：

可以看到工作執行緒的執行是從mstart開始的。schedule->......->goexit0->schedule形成了一個排程迴圈。

高度概括一下執行流程與排程迴圈：

  • mstart：主要是設定g0.stackguard0，g0.stackguard1。
  • mstart1：呼叫save儲存callerpc和callerpc到g0.sched。然後呼叫schedule開始排程迴圈。
  • schedule：獲得一個可執行的g。下面用gp代指。
  • execute(gp *g, inheritTime bool)：繫結gp與當前m，狀態改為_Grunning。
  • gogo(buf *gobuf)：載入gp的上下文，跳轉到buf.pc指向的函式。
  • 執行buf.pc指向函式。
  • goexit->goexit1：呼叫mcall(goexit0)。
  • mcall(fn func(*g))：儲存當前g（也就是gp）的上下文；切換到g0及其棧，呼叫fn，引數為gp。
  • goexit0(gp *g)：清零gp的屬性，狀態_Grunning改為_Gdead；dropg解綁m和gp；gfput放入佇列；schedule重新排程。

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