goroutine與調度器

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我們都知道Go語言是原生支援語言級並發的，這個並發的最小邏輯單元就是goroutine。goroutine就是Go語言提供的一種使用者態線程，當然這種使用者態線程是跑在核心級線程之上的。當我們建立了很多的goroutine，並且它們都是跑在同一個核心線程之上的時候，就需要一個調度器來維護這些goroutine，確保所有的goroutine都使用cpu，並且是儘可能公平的使用cpu資源。

這個調度器的原理以及實現值得我們去深入研究一下。支撐整個調度器的主要有4個重要結構，分別是M、G、P、Sched，前三個定義在runtime.h中，Sched定義在proc.c中。

• Sched結構就是調度器，它維護有儲存M和G的隊列以及調度器的一些狀態資訊等。
• M代表核心級線程，一個M就是一個線程，goroutine就是跑在M之上的；M是一個很大的結構，裡面維護小對象記憶體cache（mcache）、當前執行的goroutine、隨機數發生器等等非常多的資訊。
• P全稱是Processor，處理器，它的主要用途就是用來執行goroutine的，所以它也維護了一個goroutine隊列，裡面儲存了所有需要它來執行的goroutine，這個P的角色可能有一點讓人迷惑，一開始容易和M衝突，後面重點聊一下它們的關係。
• G就是goroutine實現的核心結構了，G維護了goroutine需要的棧、程式計數器以及它所在的M等資訊。

理解M、P、G三者的關係對理解整個調度器非常重要，我從網路上找了一個圖來說明其三者關係：

地鼠(gopher)用小車運著一堆待加工的磚。M就可以看作圖中的地鼠，P就是小車，G就是小車裡裝的磚。一圖勝千言啊，弄清楚了它們三者的關係，下面我們就開始重點聊地鼠是如何在搬運磚塊的。

啟動過程

在關心絕大多數程式的內部原理的時候，我們都試圖去弄明白其啟動初始化過程，弄明白這個過程對後續的深入分析至關重要。在asm_amd64.s檔案中的彙編代碼_rt0_amd64就是整個啟動過程，核心過程如下：

CALLruntime·args(SB)CALLruntime·osinit(SB)CALLruntime·hashinit(SB)CALLruntime·schedinit(SB)// create a new goroutine to start programPUSHQ$runtime·main·f(SB)// entryPUSHQ$0// arg sizeCALLruntime·newproc(SB)POPQAXPOPQAX// start this MCALLruntime·mstart(SB)

啟動過程做了調度器初始化runtime·schedinit後，調用runtime·newproc建立出第一個goroutine，這個goroutine將執行的函數是runtime·main，這第一個goroutine也就是所謂的主goroutine。我們寫的最簡單的Go程式”hello，world”就是完全跑在這個goroutine裡，當然任何一個Go程式的入口都是從這個goroutine開始的。最後調用的runtime·mstart就是真正的執行上一步建立的主goroutine。

啟動過程中的調度器初始化runtime·schedinit函數主要根據使用者佈建的GOMAXPROCS值來建立一批小車(P)，不管GOMAXPROCS設定為多大，最多也只能建立256個小車(P)。這些小車(p)初始建立好後都是閑置狀態，也就是還沒開始使用，所以它們都放置在調度器結構(Sched)的pidle欄位維護的鏈表中儲存起來了，以備後續之需。

查看runtime·main函數可以瞭解到主goroutine開始執行後，做的第一件事情是建立了一個新的核心線程(地鼠M)，不過這個線程是一個特殊線程，它在整個運行期專門負責做特定的事情——系統監控(sysmon)。接下來就是進入Go程式的main函數開始Go程式的執行。

至此，Go程式就被啟動起來開始運行了。一個真正幹活的Go程式，一定建立有不少的goroutine，所以在Go程式開始運行後，就會向調度器添加goroutine，調度器就要負責維護好這些goroutine的正常執行。

建立goroutine(G)

在Go程式中，時常會有類似代碼：

go do_something()

go關鍵字就是用來建立一個goroutine的，後面的函數就是這個goroutine需要執行的代碼邏輯。go關鍵字對應到調度器的介面就是runtime·newproc。runtime·newproc乾的事情很簡單，就負責製造一塊磚(G)，然後將這塊磚(G)放入當前這個地鼠(M)的小車(P)中。

每個新的goroutine都需要有一個自己的棧，G結構的sched欄位維護了棧地址以及程式計數器等資訊，這是最基本的調度資訊，也就是說這個goroutine放棄cpu的時候需要儲存這些資訊，待下次重新獲得cpu的時候，需要將這些資訊裝載到對應的cpu寄存器中。

假設這個時候已經建立了大量的goroutne，就輪到調度器去維護這些goroutine了。

建立核心線程(M)

Go程式中沒有語言級的關鍵字讓你去建立一個核心線程，你只能建立goroutine，核心線程只能由runtime根據實際情況去建立。runtime什麼時候建立線程？以地鼠運磚圖來講，磚(G)太多了，地鼠(M)又太少了，實在忙不過來，剛好還有閒置小車(P)沒有使用，那就從別處再借些地鼠(M)過來直到把小車(p)用完為止。這裡有一個地鼠(M)不夠用，從別處借地鼠(M)的過程，這個過程就是建立一個核心線程(M)。建立M的介面函數是:

void newm(void (*fn)(void), P *p)

newm函數的核心行為就是調用clone系統調用建立一個核心線程，每個核心線程的開始執行位置都是runtime·mstart函數。參數p就是一輛閒置小車(p)。

每個建立好的核心線程都從runtime·mstart函數開始執行了，它們將用分配給自己小車去搬磚了。

調度核心

newm介面只是給新建立的M分配了一個閒置P，也就是相當於告訴借來的地鼠(M)——“接下來的日子，你將使用1號小車搬磚，記住是1號小車；待會自己到停車場拿車。”，地鼠(M)去拿小車(P)這個過程就是acquirep。runtime·mstart在進入schedule之前會給當前M裝配上P，runtime·mstart函數中的代碼：

} else if(m != &runtime·m0) {acquirep(m->nextp);m->nextp = nil;}schedule();

if分支的內容就是為當前M裝配上P，nextp就是newm分配的空閑小車(P)，只是到這個時候才真正拿到手罷了。沒有P，M是無法執行goroutine的，就像地鼠沒有小車無法運磚一樣的道理。對應acquirep的動作是releasep，把M裝配的P給載掉；活幹完了，地鼠需要休息了，就把小車還到停車場，然後睡覺去。

地鼠(M)拿到屬於自己的小車(P)後，就進入工場開始幹活了，也就是上面的schedule調用。簡化schedule的代碼如下：

static voidschedule(void){G *gp;gp = runqget(m->p);if(gp == nil)gp = findrunnable();if (m->p->runqhead != m->p->runqtail &&runtime·atomicload(&runtime·sched.nmspinning) == 0 &&runtime·atomicload(&runtime·sched.npidle) > 0)  // TODO: fast atomicwakep();execute(gp);}

schedule函數被我簡化了太多，主要是我不喜歡貼大段大段的代碼，因此只保留主幹代碼了。這裡涉及到4大步邏輯：

1. runqget, 地鼠(M)試圖從自己的小車(P)取出一塊磚(G)，當然結果可能失敗，也就是這個地鼠的小車已經空了，沒有磚了。
2. findrunnable, 如果地鼠自己的小車中沒有磚，那也不能閑著不幹活是吧，所以地鼠就會試圖跑去工場倉庫取一塊磚來處理；工場倉庫也可能沒磚啊，出現這種情況的時候，這個地鼠也沒有偷懶停下幹活，而是悄悄跑出去，隨機盯上一個小夥伴(地鼠)，然後從它的車裡試圖偷一半磚到自己車裡。如果多次嘗試偷磚都失敗了，那說明實在沒有磚可搬了，這個時候地鼠就會把小車還回停車場，然後睡覺休息了。如果地鼠睡覺了，下面的過程當然都停止了，地鼠睡覺也就是線程sleep了。
3. wakep, 到這個過程的時候，可憐的地鼠發現自己小車裡有好多磚啊，自己根本處理不過來；再回頭一看停車場居然有閑置的小車，立馬跑到宿舍一看，你妹，居然還有小夥伴在睡覺，直接給屁股一腳，“你妹，居然還在睡覺，老子都快累死了，趕緊起來幹活，分擔點工作。”，小夥伴醒了，拿上自己的小車，乖乖幹活去了。有時候，可憐的地鼠跑到宿舍卻發現沒有在睡覺的小夥伴，於是會很失望，最後只好向工場老闆說——”停車場還有閑置的車啊，我快乾不動了，趕緊從別的工場借個地鼠來幫忙吧。”，最後工場老闆就搞來一個新的地鼠幹活了。
4. execute，地鼠拿著磚放入火種歡快的燒練起來。

註： “地鼠偷磚”叫work stealing，一種調度演算法。

到這裡，貌似整個工場都正常的運轉起來了，無懈可擊的樣子。不對，還有一個疑點沒解決啊，假設地鼠的車裡有很多磚，它把一塊磚放入火爐中後，何時把它取出來，放入第二塊磚呢？難道要一直把第一塊磚燒練好，才取出來嗎？那估計後面的磚真的是等得花兒都要謝了。這裡就是要真正解決goroutine的調度，環境切換問題。

調度點

當我們翻看channel的實現代碼可以發現，對channel讀寫操作的時候會觸發調用runtime·park函數。goroutine調用park後，這個goroutine就會被設定位waiting狀態，放棄cpu。被park的goroutine處於waiting狀態，並且這個goroutine不在小車(P)中，如果不對其調用runtime·ready，它是永遠不會再被執行的。除了channel操作外，定時器中，網路poll等都有可能park goroutine。

除了park可以放棄cpu外，調用runtime·gosched函數也可以讓當前goroutine放棄cpu，但和park完全不同；gosched是將goroutine設定為runnable狀態，然後放入到調度器全域等待隊列（也就是上面提到的工場倉庫，這下就明白為何工場倉庫會有磚塊(G)了吧）。

除此之外，就輪到系統調用了，有些系統調用也會觸發重新調度。Go語言完全是自己封裝的系統調用，所以在封裝系統調用的時候，可以做不少手腳，也就是進入系統調用的時候執行entersyscall，退出後又執行exitsyscall函數。 也只有封裝了entersyscall的系統調用才有可能觸發重新調度，它將改變小車(P)的狀態為syscall。還記一開始提到的sysmon線程嗎？這個系統監控線程會掃描所有的小車(P)，發現一個小車(P)處於了syscall的狀態，就知道這個小車(P)遇到了goroutine在做系統調用，於是系統監控線程就會建立一個新的地鼠(M)去把這個處於syscall的小車給搶過來，開始幹活，這樣這個小車中的所有磚塊(G)就可以繞過之前系統調用的等待了。被搶走小車的地鼠等系統調用返回後，發現自己的車沒，不能繼續幹活了，於是只能把執行系統調用的goroutine放回到工場倉庫，自己睡覺去了。

從goroutine的調度點可以看出，調度器還是挺粗暴的，調度粒度有點過大，公平性也沒有想想的那麼好。總之，這個調度器還是比較簡單的。

現場處理

goroutine在cpu上換入換出，不斷環境切換的時候，必須要保證的事情就是儲存現場和恢複現場，儲存現場就是在goroutine放棄cpu的時候，將相關寄存器的值給儲存到記憶體中；恢複現場就是在goroutine重新獲得cpu的時候，需要從記憶體把之前的寄存器資訊全部放回到相應寄存器中去。

goroutine在主動放棄cpu的時候(park/gosched)，都會涉及到調用runtime·mcall函數，此函數也是彙編實現，主要將goroutine的棧地址和程式計數器儲存到G結構的sched欄位中，mcall就完成了現場儲存。恢複現場的函數是runtime·gogocall，這個函數主要在execute中調用，就是在執行goroutine前，需要重新裝載相應的寄存器。

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人也許總得有一點遺憾才完美