Golang并发编程之调度器初始化详解

0. 简介

1. 一些全局变量

proc.goruntime.go中有一些很重要的全局的变量,我们将其先列出来:

var (
 m0 m // 代表第一个起来的线程,即主线程
 g0 g // m0的g0,即 m0.g0 = &g0
 
 allgs []*g // 保存所有的g
 allglen uintptr // 所有g的长度
 
 
 allm *m // 保存所有的m
 gomaxprocs int32 // p的最大个数,默认等于 ncpu
 ncpu int32 // 程序启动时,会调用osinit函数获得此值
 sched schedt // 调度器的结构体对象,全局仅此一份
)

程序初始化时,这些全局变量最开始都会被初始化为空值,然后随着一些初始化函数的作用,这些变量才会开始被赋值。

2. main函数之前

package main

import "fmt"

func main() {
	fmt.Println("hello world")
}

在项目根目录下执行go build -gcflags "-N -l" -o main main.go-gcflags "-N -l"是为了关闭编译器的优化和函数内联。然后我们使用gdb调试代码:

$ gdb main
GNU gdb (Ubuntu 8.1.1-0ubuntu1) 8.1.1
...
(gdb) info files
Symbols from "/home/chenyiguo/smb_share/go_routine_test/main".
Local exec file:
    `/home/chenyiguo/smb_share/go_routine_test/main', file type elf64-x86-64.
    Entry point: 0x45c220
    0x0000000000401000 - 0x000000000047e357 is .text
    0x000000000047f000 - 0x00000000004b3ecc is .rodata
    0x00000000004b4060 - 0x00000000004b4538 is .typelink
    0x00000000004b4540 - 0x00000000004b4598 is .itablink
    0x00000000004b4598 - 0x00000000004b4598 is .gosymtab
    0x00000000004b45a0 - 0x000000000050ce10 is .gopclntab
    0x000000000050d000 - 0x000000000050d020 is .go.buildinfo
    0x000000000050d020 - 0x000000000051d600 is .noptrdata
    0x000000000051d600 - 0x0000000000524e10 is .data
    0x0000000000524e20 - 0x0000000000553d28 is .bss
    0x0000000000553d40 - 0x00000000005590a0 is .noptrbss
    0x0000000000400f9c - 0x0000000000401000 is .note.go.buildid

可以看到,程序入口地址是0x45c220,继续打断点b *0x45c220进入,可以看到,程序代码的入口就在/usr/local/go/src/runtime/rt0_linux_amd64.s的第8行。

(gdb) b *0x45c220
Breakpoint 1 at 0x45c220: file /usr/local/go/src/runtime/rt0_linux_amd64.s, line 8.

进入代码位置,可以看到,其第8行是调到_rt0_amd64(SB)函数运行。

TEXT _rt0_amd64_linux(SB),NOSPLIT,$-8
   JMP    _rt0_amd64(SB)

再全局搜索_rt0_amd64,可以发现,在asm_amd64.s中有如下代码,最终会执行到runtime·rt0_go(SB)代码,在asm_amd64.s中,我们可以找到runtime·rt0_go代码的实现,这也是汇编语言。

TEXT _rt0_amd64(SB),NOSPLIT,$-8
   MOVQ   0(SP), DI  // argc
   LEAQ   8(SP), SI  // argv
   JMP    runtime·rt0_go(SB)

rt0_go函数会完成Go程序启动的所有初始化工作,这个函数比较长,也比较复杂,我们可以分段来看:

TEXT runtime·rt0_go(SB),NOSPLIT|TOPFRAME,$0
   // copy arguments forward on an even stack
   MOVQ   DI, AX    // argc
   MOVQ   SI, BX    // argv
   SUBQ   $(5*8), SP    // 3args 2auto
   ANDQ   $~15, SP
   MOVQ   AX, 24(SP)
   MOVQ   BX, 32(SP)

以上一段我们不用深究,第四条指令调整栈(内核主线程栈)顶指针16字节对齐,然后存储了argcargv数组地址。

2.1 初始化g0

注意,此处提及的g0是全局变量g0,即主线程m0m0.g0

// create istack out of the given (operating system) stack.
// _cgo_init may update stackguard.
MOVQ $runtime·g0(SB), DI // g0的地址存放在DI寄存器
LEAQ (-64*1024+104)(SP), BX // BX=SP-64*1024+104
MOVQ BX, g_stackguard0(DI) // g0.stackguard0=SP-64*1024+104
MOVQ BX, g_stackguard1(DI) // g0.stackguard1=SP-64*1024+104
MOVQ BX, (g_stack+stack_lo)(DI) // g0.stack.lo=SP-64*1024+104
MOVQ SP, (g_stack+stack_hi)(DI) // g0.stack.hi=SP

从以上代码可以看出,系统为主线程m0g0在系统线程的栈空间开辟了一个大约有64KB大小的栈,地址范围是SP-64*1024+104 ~ SP。完成以上指令后,系统栈与g0的关系大致如图所示:

2.2 主线程与m0的绑定

LEAQ    runtime·m0+m_tls(SB), DI // DI=&m0.tls
CALL   runtime·settls(SB)        // 调用settls函数设置本地线程存储

// store through it, to make sure it works
get_tls(BX)
MOVQ   $0x123, g(BX)
MOVQ   runtime·m0+m_tls(SB), AX
CMPQ   AX, $0x123
JEQ 2(PC)
CALL   runtime·abort(SB)

前面两段代码,前两条指令通过runtime·settls来设置本地线程存储,后面一段是验证设置是否成功。下面我们看下runtime·settls到底做了什么。

// set tls base to DI
TEXT runtime·settls(SB),NOSPLIT,$32
#ifdef GOOS_android
   // Android stores the TLS offset in runtime·tls_g.
   SUBQ   runtime·tls_g(SB), DI                // 不会走到这里,这是Android系统的
#else
   ADDQ   $8, DI // ELF wants to use -8(FS)    // 这之后,DI存放的就是m0.tls[1]的地址了
#endif
   MOVQ   DI, SI                               // 将DI值赋给SI,即m0.tls[1]的地址,作为系统调用的第二个参数
   MOVQ   $0x1002, DI    // ARCH_SET_FS        // DI是第一个参数,0x1002表示操作ARCH_SET_FS,这是个int类型的code,表示设置FS段寄存器为SI寄存器的值,即m0.tls[1]
   MOVQ   $SYS_arch_prctl, AX                  // 接下来就是系统调用了
   SYSCALL
   CMPQ   AX, $0xfffffffffffff001
   JLS    2(PC)
   MOVL   $0xf1, 0xf1  // crash
   RET

上面代码表明,通过arch_prctl的系统调用,将FS段寄存器的值设置为了m0.tls[1]的地址。操作系统在把线程调离CPU运行时会帮我们把所有寄存器中的值保存在内存中,调度线程起来运行时又会从内存中把这些寄存器的值恢复到CPU,这样,在此之后,工作线程代码就可以通过FS寄存器来找到m.tls。从而,就实现了主线程与m0之间的绑定。

为了读懂以上代码,我们需要知道的是,get_tlsg是宏实现,在runtime/go_tls.h中,如下。所以我们知道,get_tls(r)会将m0.tls的地址赋给r;而看了后面的操作,你就会明白,g(r)则会取出对应的g地址。

#ifdef GOARCH_amd64
#define get_tls(r) MOVQ TLS, r
#define g(r) 0(r)(TLS*1)
#endif

2.3 m0和g0的绑定

ok:
   // set the per-goroutine and per-mach "registers"
   get_tls(BX)
   LEAQ   runtime·g0(SB), CX // CX=&g0
   MOVQ   CX, g(BX)          // m0.tls[0]=&g0
   LEAQ   runtime·m0(SB), AX // AX=&m0

   // save m->g0 = g0
   MOVQ   CX, m_g0(AX)       // m0.g0=&g0
   // save m0 to g0->m       
   MOVQ   AX, g_m(CX)        // g0.m = m0

就这样,将g0m0进行了深刻地绑定

2.4 调度器的初始化

在接下来的代码中又是一些需求项的检查,我们直接忽略,看以下代码:

MOVL    24(SP), AX    // copy argc  // AX=argc
MOVL   AX, 0(SP)                    // argc放到栈顶
MOVQ   32(SP), AX    // copy argv   // AX=argv
MOVQ   AX, 8(SP)                    // argv放到SP+8的位置
CALL   runtime·args(SB)             // 处理操作系统传过来的参数和env,无需关心
CALL   runtime·osinit(SB)           // linux系统的osinit没有做很多事,只是赋值了ncpu和物理页大小
CALL   runtime·schedinit(SB)        // 调度器的初始化

调度器的初始化是在runtime.schedinit函数中完成的,是用go代码写的。

// The bootstrap sequence is:
//
// call osinit
// call schedinit
// make & queue new G
// call runtime·mstart
//
// The new G calls runtime·main.
func schedinit() {
 // a lot of lock init
 ...

 // raceinit must be the first call to race detector.
 // In particular, it must be done before mallocinit below calls racemapshadow.
 // getg函数源码没有定义,在编译的时候由编译器插入,类似下面的代码
 // get_tls(CX)
 // MOVQ g(CX), BX
 _g_ := getg() // 获取的 _g_ = &g0
 if raceenabled {
 _g_.racectx, raceprocctx0 = raceinit()
 }

 sched.maxmcount = 10000 // 操作系统线程个数最多为10000

 // a lot of init
 ...
 
 // 初始化m0
 mcommoninit(_g_.m, -1)
 
 // 一些其他设置,暂时忽略
 ...
 
 sched.lastpoll = uint64(nanotime())
 // p的数目确定
 procs := ncpu
 if n, ok := atoi32(gogetenv("GOMAXPROCS")); ok && n > 0 {
 procs = n
 }
 // 初始化p
 if procresize(procs) != nil {
 throw("unknown runnable goroutine during bootstrap")
 }
 
 ...
}

从上面我们可以看出,虽然在汇编代码中将m0g0进行了一些数据的绑定,但是并没有真正初始化m0。所以在schedinit函数中,我们有两个重要的工作要做:

  • 通过函数mcommoninit初始化m0
  • 通过函数procresize初始化p,初始化出来的p的数目一般而言是系统的CPU核数(ncpu),除非用户设置了GOMAXPROCS

2.4.1 初始化m0

// Pre-allocated ID may be passed as 'id', or omitted by passing -1.
func mcommoninit(mp *m, id int64) {
 _g_ := getg() // _g_ = &g0

 // g0 stack won't make sense for user (and is not necessary unwindable).
 if _g_ != _g_.m.g0 {
 callers(1, mp.createstack[:])
 }

 lock(&sched.lock)

 if id >= 0 {
 mp.id = id
 } else {
 mp.id = mReserveID() // 初次从mReserveID()获取到的id=0
 }

 // random初始化,用于窃取 G
 lo := uint32(int64Hash(uint64(mp.id), fastrandseed))
 hi := uint32(int64Hash(uint64(cputicks()), ^fastrandseed))
 if lo|hi == 0 {
 hi = 1
 }
 // Same behavior as for 1.17.
 // TODO: Simplify ths.
 if goarch.BigEndian {
 mp.fastrand = uint64(lo)<<32 | uint64(hi)
 } else {
 mp.fastrand = uint64(hi)<<32 | uint64(lo)
 }

 // 创建用于信号处理的gsignal,只是简单的从堆上分配一个g结构体对象,然后把栈设置好就返回了
 mpreinit(mp)
 if mp.gsignal != nil {
 mp.gsignal.stackguard1 = mp.gsignal.stack.lo + _StackGuard
 }

 // 把m0挂入全局链表allm中
 // 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

 // NumCgoCall() iterates over allm w/o schedlock,
 // so we need to publish it safely.
 atomicstorep(unsafe.Pointer(&allm), unsafe.Pointer(mp))
 unlock(&sched.lock)

 // Allocate memory to hold a cgo traceback if the cgo call crashes.
 if iscgo || GOOS == "solaris" || GOOS == "illumos" || GOOS == "windows" {
 mp.cgoCallers = new(cgoCallers)
 }
}

从函数可以看出,这里并未对传入的m做有关调度的初始化,可以简单认为这个函数只是把m0放到了全局链表allm中后就返回了。

2.4.2 初始化allp

func procresize(nprocs int32) *p {
 ...

 old := gomaxprocs // 系统初始化的时候, gomaxprocs=0
 if old < 0 || nprocs <= 0 {
 throw("procresize: invalid arg")
 }
 
 ...

 // 看看是否需要扩大allp,初始化时len(allp)=0,所以肯定会增长
 // Grow allp if necessary.
 if nprocs > int32(len(allp)) {
 // Synchronize with retake, which could be running
 // concurrently since it doesn't run on a P.
 lock(&allpLock)
 if nprocs <= int32(cap(allp)) {
 allp = allp[:nprocs]
 } else {
 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
 }

 if maskWords <= int32(cap(idlepMask)) {
 idlepMask = idlepMask[:maskWords]
 timerpMask = timerpMask[:maskWords]
 } else {
 nidlepMask := make([]uint32, maskWords)
 // No need to copy beyond len, old Ps are irrelevant.
 copy(nidlepMask, idlepMask)
 idlepMask = nidlepMask

 ntimerpMask := make([]uint32, maskWords)
 copy(ntimerpMask, timerpMask)
 timerpMask = ntimerpMask
 }
 unlock(&allpLock)
 }

 // 初始化这些P
 // 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() // _g_ = g0
 if _g_.m.p != 0 && _g_.m.p.ptr().id < nprocs { // 初始化时m0.p=0,所以不会进这个分支
 // continue to use the current P
 _g_.m.p.ptr().status = _Prunning
 _g_.m.p.ptr().mcache.prepareForSweep()
 } else {
 // release the current P and acquire allp[0].
 //
 // We must do this before destroying our current P
 // because p.destroy itself has write barriers, so we
 // need to do that from a valid P.
 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
 p := allp[0]
 p.m = 0
 p.status = _Pidle
 acquirep(p) // 把p和m0关联起来 
 if trace.enabled {
 traceGoStart()
 }
 }

 // g.m.p is now set, so we no longer need mcache0 for bootstrapping.
 mcache0 = nil

 // 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
 }

 // Trim allp.
 if int32(len(allp)) != nprocs {
 lock(&allpLock)
 allp = allp[:nprocs]
 idlepMask = idlepMask[:maskWords]
 timerpMask = timerpMask[:maskWords]
 unlock(&allpLock)
 }

 // 将所有的空闲的p放入空闲链表
 var runnablePs *p
 for i := nprocs - 1; i >= 0; i-- {
 p := allp[i]
 if _g_.m.p.ptr() == p {
 continue
 }
 p.status = _Pidle
 if runqempty(p) {
 pidleput(p)
 } else {
 p.m.set(mget())
 p.link.set(runnablePs)
 runnablePs = p
 }
 }
 stealOrder.reset(uint32(nprocs))
 var int32p *int32 = &gomaxprocs // make compiler check that gomaxprocs is an int32
 atomic.Store((*uint32)(unsafe.Pointer(int32p)), uint32(nprocs))
 return runnablePs
}

其实,以上代码可以总结如下:

  • 使用make([]*p, nprocs)初始化全局变量allp,即allp = make([]*p, nprocs)
  • 循环创建并初始化nprocs个p结构体对象并依次保存在allp切片之中
  • m0allp[0]绑定在一起,即m0.p = allp[0], allp[0].m = m0
  • 把除了allp[0]之外的所有p放入到全局变量schedpidle空闲队列之中

至此,整个调度器中各组件之间的关系如下图所示:

作者:IguoChan

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