Go協作與搶占怎么實現

這篇“Go協作與搶占怎么實現”文章的知識點大部分人都不太理解，所以小編給大家總結了以下內容，內容詳細，步驟清晰，具有一定的借鑒價值，希望大家閱讀完這篇文章能有所收獲，下面我們一起來看看這篇“Go協作與搶占怎么實現”文章吧。

1. 用戶主動讓出CPU：runtime.Gosched函數

在介紹兩種搶占調度之前，我們首先介紹一下runtime.Gosched函數：

// Gosched yields the processor, allowing other goroutines to run. It does not
// suspend the current goroutine, so execution resumes automatically.
func Gosched() {
   checkTimeouts()
   mcall(gosched_m)
}

根據說明，runtime.Gosched函數會主動放棄當前處理器，并且允許其他協程執行，但是起并不會暫停自己，而只是讓渡調度權，之后依賴調度器獲得重新調度。

之后，會通過mcall函數切換到g0棧去執行gosched_m函數：

// Gosched continuation on g0.
func gosched_m(gp *g) {
   if trace.enabled {
      traceGoSched()
   }
   goschedImpl(gp)
}

gosched_m調用goschedImpl函數，其會為協程gp讓渡出本M，并且將gp放到全局隊列中，等待調度。

func goschedImpl(gp *g) {
   status := readgstatus(gp)
   if status&^_Gscan != _Grunning {
      dumpgstatus(gp)
      throw("bad g status")
   }
   casgstatus(gp, _Grunning, _Grunnable)
   dropg()            // 使當前m放棄gp，就是其參數 curg
   lock(&sched.lock)
   globrunqput(gp)    // 并且把gp放到全局隊列中，等待調度
   unlock(&sched.lock)

   schedule()
}

雖然runtime.Gosched具有主動放棄CPU的能力，但是對用戶的要求比較高，并非用戶友好的。

2. 基于協作的搶占式調度

2.1 場景

package main

import (
   "fmt"
   "runtime"
   "sync"
   "time"
)

var once = sync.Once{}

func f() {
   once.Do(func() {
      fmt.Println("I am go routine 1!")
   })
}

func main() {
   defer runtime.GOMAXPROCS(runtime.GOMAXPROCS(1))

   go func() {
      for {
         f()
      }
   }()

   time.Sleep(10 * time.Millisecond)
   fmt.Println("I am main goroutine!")
}

我們考慮如上代碼，首先我們設置P的個數為1，然后起一個協程中進入死循環，循環調用一個函數，如果沒有搶占調度，那么這個協程將一直占據P，也就是會一直占據CPU，代碼就永遠不可能執行到fmt.Println("I am main goroutine!")這行。下面我們看看，協作式搶占是怎么避免以上問題的。

2.2 棧擴張與搶占標記

$ go tool compile -N -l main.go
$ go tool objdump main.o >> main.i

我們通過以上指令，得到2.1中代碼的匯編代碼，截取f函數的匯編代碼如下：

TEXT "".f(SB) gofile../home/chenyiguo/smb_share/go_routine_test/main.go
  main.go:12      0x151a       493b6610      CMPQ 0x10(R14), SP 
  main.go:12      0x151e       762b         JBE 0x154b    
  main.go:12      0x1520       4883ec18      SUBQ $0x18, SP    
  main.go:12      0x1524       48896c2410    MOVQ BP, 0x10(SP)  
  main.go:12      0x1529       488d6c2410    LEAQ 0x10(SP), BP  
  main.go:13      0x152e       488d0500000000    LEAQ 0(IP), AX    [3:7]R_PCREL:"".once      
  main.go:13      0x1535       488d1d00000000    LEAQ 0(IP), BX    [3:7]R_PCREL:"".f.func1·f  
  main.go:13      0x153c       e800000000    CALL 0x1541       [1:5]R_CALL:sync.(*Once).Do    
  main.go:16      0x1541       488b6c2410    MOVQ 0x10(SP), BP  
  main.go:16      0x1546       4883c418      ADDQ $0x18, SP    
  main.go:16      0x154a       c3       RET          
  main.go:12      0x154b       e800000000    CALL 0x1550       [1:5]R_CALL:runtime.morestack_noctxt   
  main.go:12      0x1550       ebc8         JMP "".f(SB)  

其中第一行，CMPQ 0x10(R14), SP就是比較SP和0x10(R14)（其實就是stackguard0）的大小（注意AT&T格式下CMP系列指令的順序），當SP小于等于0x10(R14)時，就會調轉到0x154b地址調用runtime.morestack_noctxt，觸發棧擴張操作。其實如果你仔細觀察就會發現，所有的函數的序言（函數調用的最前方）都被插入了檢測指令，除非在函數上標記//go:nosplit。

接下來，我們將關注于兩點來打通整個鏈路，即：

• 棧擴張怎么重新調度，讓出CPU的執行權？

• 何時會設置棧擴張標記？

2.3 棧擴張怎么觸發重新調度

// morestack but not preserving ctxt.
TEXT runtime·morestack_noctxt(SB),NOSPLIT,$0
   MOVL   $0, DX
   JMP    runtime·morestack(SB)

TEXT runtime·morestack(SB),NOSPLIT,$0-0
   ...

   // Set g->sched to context in f.
   MOVQ   0(SP), AX // f's PC
   MOVQ   AX, (g_sched+gobuf_pc)(SI)
   LEAQ   8(SP), AX // f's SP
   MOVQ   AX, (g_sched+gobuf_sp)(SI)
   MOVQ   BP, (g_sched+gobuf_bp)(SI)
   MOVQ   DX, (g_sched+gobuf_ctxt)(SI)

   ...
   CALL   runtime·newstack(SB)
   CALL   runtime·abort(SB)  // crash if newstack returns
   RET

以上代碼中，runtime·morestack_noctxt調用runtime·morestack，在runtime·morestack中，會首先記錄協程的PC和SP，然后調用runtime.newstack：

func newstack() {
   ...

   gp := thisg.m.curg
   
   ...
   stackguard0 := atomic.Loaduintptr(&gp.stackguard0)

   ...
   preempt := stackguard0 == stackPreempt
   ...

   if preempt {
      if gp == thisg.m.g0 {
         throw("runtime: preempt g0")
      }
      if thisg.m.p == 0 && thisg.m.locks == 0 {
         throw("runtime: g is running but p is not")
      }

      if gp.preemptShrink {
         // We're at a synchronous safe point now, so
         // do the pending stack shrink.
         gp.preemptShrink = false
         shrinkstack(gp)
      }

      if gp.preemptStop {
         preemptPark(gp) // never returns
      }

      // Act like goroutine called runtime.Gosched.
      gopreempt_m(gp) // never return
   }

   ...
}

我們簡化runtime.newstack函數，總結起來就是通過現有工作協程的stackguard0字段，來判斷是不是應該發生搶占，如果需要的話，則調用gopreempt_m(gp)函數：

func gopreempt_m(gp *g) {
   if trace.enabled {
      traceGoPreempt()
   }
   goschedImpl(gp)
}

可以看到，gopreempt_m函數和前面講到Gosched函數時說到的gosched_m函數一樣，都將調用goschedImpl函數，為協程gp讓渡出本M，并且將gp放到全局隊列中，等待調度。

這里我們就明白了，一旦發生棧擴張，就有可能會發生讓渡出執行權，進行重新調度的可能性，那什么時候會發生棧擴張呢？

2.4 何時設置棧擴張標記

在代碼中，將stackguard0字段置為stackPreempt的地方有不少，但是和我們以上場景相符的還是在后臺監護線程sysmon循環中，對于陷入系統調用和長時間運行的goroutine的運行權進行奪取的retake函數：

func sysmon() {
   ...

   for {
      ...
      // retake P's blocked in syscalls
      // and preempt long running G's
      if retake(now) != 0 {
         idle = 0
      } else {
         idle++
      }
      ...
   }
}

func retake(now int64) uint32 {
   ...
   for i := 0; i < len(allp); i++ {
      ...
      s := _p_.status
      sysretake := false
      if s == _Prunning || s == _Psyscall {
         // Preempt G if it's running for too long.
         t := int64(_p_.schedtick)
         if int64(pd.schedtick) != t {
            pd.schedtick = uint32(t)
            pd.schedwhen = now
         } else if pd.schedwhen+forcePreemptNS <= now { // forcePreemptNS=10ms
            preemptone(_p_) // 在這里設置棧擴張標記
            // In case of syscall, preemptone() doesn't
            // work, because there is no M wired to P.
            sysretake = true
         }
      }
      ...
   }
   unlock(&allpLock)
   return uint32(n)
}

其中，在preemptone函數中進行棧擴張標記的設置：

func preemptone(_p_ *p) bool {
   mp := _p_.m.ptr()
   if mp == nil || mp == getg().m {
      return false
   }
   gp := mp.curg
   if gp == nil || gp == mp.g0 {
      return false
   }

   gp.preempt = true

   // Every call in a goroutine checks for stack overflow by
   // comparing the current stack pointer to gp->stackguard0.
   // Setting gp->stackguard0 to StackPreempt folds
   // preemption into the normal stack overflow check.
   gp.stackguard0 = stackPreempt // 設置棧擴張標記

   // Request an async preemption of this P.
   if preemptMSupported && debug.asyncpreemptoff == 0 {
      _p_.preempt = true
      preemptM(mp)
   }

   return true
}

通過以上，我們串通起了goroutine協作式搶占的邏輯：

• 首先，后臺監控線程會對運行時間過長（≥10ms）的協程設置棧擴張標記；

• 協程運行到任何一個函數的序言的時候，都會首先檢查棧擴張標記；

• 如果需要進行棧擴張，在進行棧擴張的時候，會奪取這個協程的運行權，從而實現搶占式調度。

3. 基于信號的搶占式調度

分析以上結論我們可以知道，上述搶占觸發邏輯有一個致命的缺點，那就是必須要運行到函數棧的序言部分，而這根本無法讀取以下協程的運行權，在Go的1.14版本之前，一下代碼不會打印最后一句"I am main goroutine!"：

package main

import (
   "fmt"
   "runtime"
   "sync"
   "time"
)

var once = sync.Once{}

func main() {
   defer runtime.GOMAXPROCS(runtime.GOMAXPROCS(1))

   go func() {
      for {
         once.Do(func() {
            fmt.Println("I am go routine 1!")
         })
      }
   }()

   time.Sleep(10 * time.Millisecond)
   fmt.Println("I am main goroutine!")
}

因為以上協程中的for循環是個死循環，且并不會包含棧擴張邏輯，所以不會讓渡出自身的執行權。

3.1 發送搶占信號

為此，Go SDK引入了基于信號的搶占式調度。我們注意分析上一節preemptone函數代碼中有以下部分：

if preemptMSupported && debug.asyncpreemptoff == 0 {
   _p_.preempt = true
   preemptM(mp)
}

其中preemptM函數會發送_SIGURG信號給需要搶占的線程：

const sigPreempt = _SIGURG


func preemptM(mp *m) {
   // On Darwin, don't try to preempt threads during exec.
   // Issue #41702.
   if GOOS == "darwin" || GOOS == "ios" {
      execLock.rlock()
   }

   if atomic.Cas(&mp.signalPending, 0, 1) {
      if GOOS == "darwin" || GOOS == "ios" {
         atomic.Xadd(&pendingPreemptSignals, 1)
      }

      // If multiple threads are preempting the same M, it may send many
      // signals to the same M such that it hardly make progress, causing
      // live-lock problem. Apparently this could happen on darwin. See
      // issue #37741.
      // Only send a signal if there isn't already one pending.
      signalM(mp, sigPreempt)
   }

   if GOOS == "darwin" || GOOS == "ios" {
      execLock.runlock()
   }
}

3.2 搶占調用的注入

說到這里，我們就需要回到最開始，在第一個協程m0開啟mstart的調用鏈路上，會調用mstartm0函數，在這里會調用initsig：

func initsig(preinit bool) {
  ...

   for i := uint32(0); i < _NSIG; i++ {
      ...

      handlingSig[i] = 1
      setsig(i, abi.FuncPCABIInternal(sighandler))
   }
}

在以上，注冊了sighandler函數：

func sighandler(sig uint32, info *siginfo, ctxt unsafe.Pointer, gp *g) {
   ...

   if sig == sigPreempt && debug.asyncpreemptoff == 0 {
      // Might be a preemption signal.
      doSigPreempt(gp, c)
      // Even if this was definitely a preemption signal, it
      // may have been coalesced with another signal, so we
      // still let it through to the application.
   }

   ...
}

然后接收到sigPreempt信號時，會通過doSigPreempt函數處理如下：

func doSigPreempt(gp *g, ctxt *sigctxt) {
   // Check if this G wants to be preempted and is safe to
   // preempt.
   if wantAsyncPreempt(gp) {
      if ok, newpc := isAsyncSafePoint(gp, ctxt.sigpc(), ctxt.sigsp(), ctxt.siglr()); ok {
         // Adjust the PC and inject a call to asyncPreempt.
         ctxt.pushCall(abi.FuncPCABI0(asyncPreempt), newpc) // 插入搶占調用
      }
   }

   // Acknowledge the preemption.
   atomic.Xadd(&gp.m.preemptGen, 1)
   atomic.Store(&gp.m.signalPending, 0)

   if GOOS == "darwin" || GOOS == "ios" {
      atomic.Xadd(&pendingPreemptSignals, -1)
   }
}

最終，doSigPreempt—>asyncPreempt->asyncPreempt2：

func asyncPreempt2() {
   gp := getg()
   gp.asyncSafePoint = true
   if gp.preemptStop {
      mcall(preemptPark)
   } else {
      mcall(gopreempt_m)
   }
   gp.asyncSafePoint = false
}

然后，又回到了我們熟悉的gopreempt_m函數，這里就不贅述了。

所以對于基于信號的搶占調度，總結如下：

• M1發送信號_SIGURG；

• M2接收到信號，并通過信號處理函數進行處理；

• M2修改執行的上下文，并恢復到修改后的位置；

• 重新進入調度循環，進而調度其他goroutine。

以上就是關于“Go協作與搶占怎么實現”這篇文章的內容，相信大家都有了一定的了解，希望小編分享的內容對大家有幫助，若想了解更多相關的知識內容，請關注億速云行業資訊頻道。