技术

agentic chat 图数据库的一些考量 LLM一些探索 Agent实践 LLM预训练 向量数据库的一些考量 fastapi+sqlalchemy进行项目开发 LLM微调实践 Python协程实现 Agent Functon Calling LLamaIndex入门 Multi-Agent探索 Python虚拟机 LLM工作流编排 Python实践 下一个平台Agent 激发LLM涌现——提示工程 LLM微调理论 大佬沉思 LLM外挂知识库 LLMOps 多模态LLM Python一些比较有意思的库 Transformers源码学习 LangChain源码学习 通用分布式计算引擎Ray Python并发 go依赖注入 go collection gc的基本原理 golang性能分析及优化 数据湖 高性能计算与存储 Linux2.1.13网络源代码学习 《大数据经典论文解读》 三驾马车学习 Spark 内存管理及调优 Yarn学习 从Spark部署模式开始讲源码分析 容器狂占内存资源怎么办? 多角度理解一致性 golang io使用及优化模式 Flink学习 c++学习 学习ebpf go设计哲学 ceph学习 学习mesh kvm虚拟化 学习MQ go编译器以及defer实现 学习go 为什么要有堆栈 汇编语言 计算机组成原理 运行时和库 Prometheus client mysql 事务 mysql 事务的隔离级别 mysql 索引 坏味道 学习分布式 学习网络 学习Linux go堆内存分配 golang 系统调用与阻塞处理 Goroutine 调度过程 重新认识cpu mosn有的没的 负载均衡泛谈 单元测试的新解读 《Redis核心技术与实现》笔记 《Prometheus监控实战》笔记 Prometheus 告警学习 calico源码分析 对容器云平台的理解 Prometheus 源码分析 并发的成本 基础设施优化 hashicorp raft源码学习 docker 架构 mosn细节 与微服务框架整合 Java动态代理 编程范式 并发通信模型 《网络是怎样连接的》笔记 go channel codereview gc分析 jvm 线程实现 go打包机制 go interface及反射 如何学习Kubernetes 《编译原理之美》笔记——后端部分 《编译原理之美》笔记——前端部分 Pilot MCP协议分析 go gc 内存管理玩法汇总 软件机制 istio流量管理 Pilot源码分析 golang io 学习Spring mosn源码浅析 MOSN简介 《datacenter as a computer》笔记 学习JVM Tomcat源码分析 Linux可观测性 学习存储 学计算 Gotty源码分析 kubernetes operator kaggle泰坦尼克问题实践 kubernetes扩缩容 神经网络模型优化 直觉上理解深度学习 如何学习机器学习 TIDB源码分析 什么是云原生 Alibaba Java诊断工具Arthas TIDB存储——TIKV 《Apache Kafka源码分析》——简介 netty中的线程池 guava cache 源码分析 Springboot 启动过程分析 Spring 创建Bean的年代变迁 Linux内存管理 自定义CNI IPAM 共识算法 spring redis 源码分析 kafka实践 spring kafka 源码分析 Linux进程调度 让kafka支持优先级队列 Codis源码分析 Redis源码分析 C语言学习 《趣谈Linux操作系统》笔记 docker和k8s安全访问机制 jvm crash分析 Prometheus 学习 Kubernetes监控 Kubernetes 控制器模型 容器日志采集 容器狂占资源怎么办? Kubernetes资源调度——scheduler 时序性数据库介绍及对比 influxdb入门 maven的基本概念 《Apache Kafka源码分析》——server Kubernetes类型系统 源码分析体会 《数据结构与算法之美》——算法新解 Kubernetes源码分析——controller mananger Kubernetes源码分析——apiserver Kubernetes源码分析——kubelet Kubernetes介绍 ansible学习 Kubernetes源码分析——从kubectl开始 jib源码分析之Step实现 线程排队 jib源码分析之细节 跨主机容器通信 jib源码分析及应用 为容器选择一个合适的entrypoint kubernetes yaml配置 《持续交付36讲》笔记 mybatis学习 程序猿应该知道的 无锁数据结构和算法 CNI——容器网络是如何打通的 为什么很多业务程序猿觉得数据结构和算法没用? 串一串一致性协议 当我在说PaaS时,我在说什么 《数据结构与算法之美》——数据结构笔记 PouchContainer技术分享体会 harbor学习 用groovy 来动态化你的代码 精简代码的利器——lombok 学习 《深入剖析kubernetes》笔记 编程语言那些事儿 rxjava3——背压 rxjava2——线程切换 spring cloud 初识 《深入拆解java 虚拟机》笔记 《how tomcat works》笔记 hystrix 学习 rxjava1——概念 Redis 学习 TIDB 学习 如何分发计算 Storm 学习 AQS1——论文学习 Unsafe Spark Stream 学习 linux vfs轮廓 《自己动手写docker》笔记 java8 实践 中本聪比特币白皮书 细读 区块链泛谈 比特币 大杂烩 总纲——如何学习分布式系统 hbase 泛谈 forkjoin 泛谈 看不见摸不着的cdn是啥 《jdk8 in action》笔记 程序猿视角看网络 bgp初识 calico学习 AQS——粗略的代码分析 我们能用反射做什么 web 跨域问题 《clean code》笔记 《Elasticsearch权威指南》笔记 mockito简介及源码分析 2017软件开发小结—— 从做功能到做系统 《Apache Kafka源码分析》——clients dns隐藏的一个坑 《mysql技术内幕》笔记 log4j学习 为什么netty比较难懂? 递归、回溯、动态规划 apollo client源码分析及看待面向对象设计 学习并发 docker运行java项目的常见问题 OpenTSDB 入门 spring事务小结 分布式事务 javascript应用在哪里 《netty in action》读书笔记 netty对http2协议的解析 ssl证书是什么东西 http那些事 苹果APNs推送框架pushy apple 推送那些事儿 编写java框架的几大利器 java内存模型和jvm内存布局 java exception Linux IO学习 netty内存管理 测试环境docker化实践 netty在框架中的使用套路 Nginx简单使用 《Linux内核设计的艺术》小结 Go并发机制及语言层工具 Linux网络源代码学习——数据包的发送与接收 《docker源码分析》小结 docker namespace和cgroup zookeeper三重奏 数据库的一些知识 Spark 泛谈 链式处理的那些套路 netty回顾 Thrift基本原理与实践(二) Thrift基本原理与实践(一) 回调 异步执行抽象——Executor与Future Docker0.1.0源码分析 java gc Jedis源码分析 深度学习泛谈 Linux网络命令操作 JTA与TCC 换个角度看待设计模式 Scala初识 向Hadoop学习NIO的使用 以新的角度看数据结构 并发控制相关的硬件与内核支持 systemd 简介 quartz 源码分析 基于docker搭建测试环境(二) spring aop 实现原理简述 自己动手写spring(八) 支持AOP 自己动手写spring(七) 类结构设计调整 分析log日志 自己动手写spring(六) 支持FactoryBean 自己动手写spring(九) 总结 自己动手写spring(五) bean的生命周期管理 自己动手写spring(四) 整合xml与注解方式 自己动手写spring(三) 支持注解方式 自己动手写spring(二) 创建一个bean工厂 自己动手写spring(一) 使用digester varnish 简单使用 关于docker image的那点事儿 基于docker搭建测试环境 分布式配置系统 JVM执行 git maven/ant/gradle/make使用 再看tcp kv系统 java nio的多线程扩展 《Concurrency Models》笔记 回头看Spring IOC IntelliJ IDEA使用 Java泛型 vagrant 使用 Go常用的一些库 Python初学 Goroutine 调度模型 虚拟网络 《程序员的自我修养》小结 Kubernetes存储 访问Kubernetes上的Service Kubernetes副本管理 Kubernetes pod 组件 Go基础 JVM类加载 硬币和扑克牌问题 LRU实现 virtualbox 使用 ThreadLocal小结 docker快速入门

架构

bert rerank微调 大模型推理tips RAG向量检索与微调 dddfirework源码分析 RAG与知识图谱 大模型推理服务框架vLLM 大模型推理服务框架 模型服务化(未完成) 大模型Post-Training 大模型训练 大模型推理 从Attention到Transformer k8s设备管理 ddd从理念到代码 如何应用LLM 小鼠如何驾驭大象(LLM)? 多类型负载协调员Koordinator controller-runtime细节分析 finops学习 kubevela多集群 kubevela中cue的应用 基于k8s的工作流 kubevela源码分析 容器和CPU那些事儿 数据集管理fluid 应用管理平台kubevela karmada支持crd 多集群管理 AutoML和AutoDL 特征平台 实时训练 分布式链路追踪 K8S YAML 资源清单管理方案 tensorflow原理——python层分析 如何学习tensorflow 数据并行——allreduce 数据并行——ps 推荐系统embedding原理及实践 机器学习中的python调用c 机器学习训练框架概述 tensornet源码分析 大模型训练和推理 X的生成——特征工程 tvm tensorflow原理——core层分析 模型演变 《深度学习推荐系统实战》笔记 keras 和 Estimator tensorflow分布式训练 分布式训练的一些问题 基于Volcano的弹性训练 图神经网络 pytorch弹性分布式训练 从混部到统一调度 从RNN到Attention pytorch分布式训练 CNN 《动手学深度学习》笔记 pytorch与线性回归 多活 volcano特性源码分析 推理服务 kubebuilder 学习 mpi 学习pytorch client-go学习 提高gpu 利用率 GPU与容器的结合 GPU入门 AI云平台梳理 tensorflow学习 tf-operator源码分析 k8s批处理调度/Job调度 喜马拉雅容器化实践 Kubernetes 实践 学习rpc BFF openkruise学习 可观察性和监控系统 基于Kubernetes选主及应用 《许式伟的架构课》笔记 Admission Controller 与 Admission Webhook 发布平台系统设计 k8s水平扩缩容 Scheduler如何给Node打分 Scheduler扩展 深入controller openkruise cloneset学习 controller-runtime源码分析 pv与pvc实现 csi学习 client-go informer源码分析 kubelet 组件分析 调度实践 Pod是如何被创建出来的? 《软件设计之美》笔记 mecha 架构学习 Kubernetes events学习及应用 CRI——kubelet与容器引擎之间的接口 资源调度泛谈 业务系统设计原则 grpc学习 元编程 以应用为中心 istio学习 下一代微服务Service Mesh 《实现领域驱动设计》笔记 概率论 serverless 泛谈 《架构整洁之道》笔记 处理复杂性 那些年追过的并发 服务器端编程 网络通信协议 架构大杂烩 如何学习架构 《反应式设计模式》笔记 项目的演化特点 反应式架构摸索 函数式编程的设计模式 服务化 ddd反模式——CRUD的败笔 研发效能平台 重新看面向对象设计 业务系统设计的一些体会 函数式编程 《左耳听风》笔记 业务程序猿眼中的微服务管理 DDD实践——CQRS 项目隔离——案例研究 《编程的本质》笔记 系统故障排查汇总及教训 平台支持类系统的几个点 代码腾挪的艺术 abtest 系统设计汇总 《从0开始学架构》笔记 初级权限系统设计 领域驱动理念 现有上传协议分析 移动网络下的文件上传要注意的几个问题 推送系统的几个基本问题 做配置中心要想好的几个基本问题 不同层面的异步 分层那些事儿 性能问题分析 用户认证问题 资源的分配与回收——池 消息/任务队列

标签

k8s设备管理 多类型负载协调员Koordinator controller-runtime细节分析 finops学习 kubevela多集群 kubevela中cue的应用 基于k8s的工作流 kubevela源码分析 容器和CPU那些事儿 数据集管理fluid 应用管理平台kubevela karmada支持crd 多集群管理 K8S YAML 资源清单管理方案 从混部到统一调度 volcano特性源码分析 kubebuilder 学习 client-go学习 tf-operator源码分析 k8s批处理调度/Job调度 喜马拉雅容器化实践 Kubernetes 实践 openkruise学习 基于Kubernetes选主及应用 Admission Controller 与 Admission Webhook k8s水平扩缩容 Scheduler如何给Node打分 Scheduler扩展 深入controller openkruise cloneset学习 controller-runtime源码分析 pv与pvc实现 csi学习 client-go informer源码分析 kubelet 组件分析 调度实践 Pod是如何被创建出来的? Kubernetes events学习及应用 CRI——kubelet与容器引擎之间的接口 资源调度泛谈 如何学习Kubernetes 以应用为中心 kubernetes operator kubernetes扩缩容 serverless 泛谈 什么是云原生 自定义CNI IPAM docker和k8s安全访问机制 Kubernetes监控 Kubernetes 控制器模型 Kubernetes资源调度——scheduler Kubernetes类型系统 Kubernetes源码分析——controller mananger Kubernetes源码分析——apiserver Kubernetes源码分析——kubelet Kubernetes介绍 Kubernetes源码分析——从kubectl开始 kubernetes yaml配置 CNI——容器网络是如何打通的 当我在说PaaS时,我在说什么 《深入剖析kubernetes》笔记 Kubernetes存储 访问Kubernetes上的Service Kubernetes副本管理 Kubernetes pod 组件
agentic chat bert rerank微调 大模型推理tips LLM一些探索 Agent实践 LLM预训练 RAG向量检索与微调 LLM微调实践 RAG与知识图谱 大模型推理服务框架vLLM Agent Functon Calling LLamaIndex入门 Multi-Agent探索 LLM工作流编排 大模型推理服务框架 模型服务化(未完成) 大模型Post-Training 大模型训练 大模型推理 从Attention到Transformer 下一个平台Agent 激发LLM涌现——提示工程 LLM微调理论 大佬沉思 LLM外挂知识库 LLMOps 多模态LLM Transformers源码学习 LangChain源码学习 如何应用LLM 小鼠如何驾驭大象(LLM)? AutoML和AutoDL 特征平台 实时训练 tensorflow原理——python层分析 如何学习tensorflow 数据并行——allreduce 数据并行——ps 推荐系统embedding原理及实践 机器学习中的python调用c 机器学习训练框架概述 tensornet源码分析 大模型训练和推理 X的生成——特征工程 tvm tensorflow原理——core层分析 模型演变 《深度学习推荐系统实战》笔记 keras 和 Estimator tensorflow分布式训练 分布式训练的一些问题 基于Volcano的弹性训练 图神经网络 pytorch弹性分布式训练 从RNN到Attention pytorch分布式训练 CNN 《动手学深度学习》笔记 pytorch与线性回归 推理服务 mpi 学习pytorch 提高gpu 利用率 GPU与容器的结合 GPU入门 AI云平台梳理 tensorflow学习 kaggle泰坦尼克问题实践 神经网络模型优化 概率论 直觉上理解深度学习 如何学习机器学习 深度学习泛谈

Goroutine 调度过程

2020年11月10日

前言

调度系统设计精要

本文内容来自 张万波大佬 go语言调度器源代码情景分析。在此再次表达 对大佬的膜拜。

预备知识

系统调用是指使用类似函数调用的方式调用操作系统提供的API。虽然从概念上来说系统调用和函数调用差不多,但本质上它们有很大的不同(call vs int/syscall)

  1. 操作系统的代码位于内核地址空间,而CPU在执行用户代码时特权等级很低,无权访问需要最高优先级才能访问的内核地址空间的代码和数据,所以不能通过简单的call指令直接调用操作系统提供的函数,而需要使用特殊的指令进入操作系统内核完成指定的功能。
  2. 用户代码调用操作系统API不是根据函数名直接调用,而是需要根据操作系统为每个API提供的一个整型编号来调用,AMD64 Linux平台约定在进行系统调用时使用rax寄存器存放系统调用编号(PS:还有专门的寄存器),同时约定使用rdi, rsi, rdx, r10, r8和r9来传递前6个系统调用参数。
  3. 函数调用只需要切换PC 及栈寄存器 SP等几个寄存器,系统调用则涉及到整个cpu上下文(所有寄存器)的切换。不过并不会涉及到虚拟内存等进程用户态的资源,也不会切换进程。系统调用属于同进程内的 CPU 上下文切换,进程的上下文切换就比系统调用时多了一步:在保存内核态资源(当前进程的内核状态和 CPU 寄存器)之前,需要先把该进程的用户态资源(虚拟内存、栈等)保存下来;而加载了下一进程的内核态后,还需要刷新进程的虚拟内存和用户栈。

线程调度:操作系统什么时候会发起调度呢?总体来说操作系统必须要得到CPU的控制权后才能发起调度,那么当用户程序在CPU上运行时如何才能让CPU去执行操作系统代码从而让内核获得控制权呢?一般说来在两种情况下会从执行用户程序代码转去执行操作系统代码:

  1. 用户程序使用系统调用进入操作系统内核;
  2. 硬件中断。硬件中断处理程序由操作系统提供,所以当硬件发生中断时,就会执行操作系统代码。硬件中断有个特别重要的时钟中断,这是操作系统能够发起抢占调度的基础。

源码分析

协程和线程的最大区别是协程完全是用户态的,包括对象定义,创建、调度和上下文切换。

程序=数据结构 + 算法。调度器就是 基于 g/p/m/sched 等struct,提供初始化方法 schedinit ==> mcommoninit –> procresize –> newproc。代码go 生产g,在每个m 执行执行 mstart => mstart1 ==> schedule 来消费g。PS: 不一定对,这个表述手法很重要。

go main 函数执行

各个语言都会提供自己的入口函数,这个入口函数并不是我们开发者所熟知的main函数,而是语言开发者实现的入口函数。在glibc 中,这个入口函数是_start,在_start 中会进行很多进入main 函数之前的初始化操作,例如全局对象的构造,建立打开文件表,初始化标准输入输出流等,也会注册好程序退出时的逻辑,接着才会进入到我们应用开发者所熟知的main 函数中来执行。go也是如此,在go中,其底层运行的GMP、gc等机制都需要在进入用户的main函数之前启动。

Go 语言设计与实现 Goroutinelinux amd64系统的启动函数是在asm_amd64.s的runtime·rt0_go函数中。

// go/1.15.2/libexec/src/runtime/asm_amd64.s
TEXT runtime·rt0_go(SB),NOSPLIT,$0
	...
	CALL	runtime·args(SB)            // 初始化执行文件的绝对路径
    // 对go runtime进行关键的初始化
	CALL	runtime·osinit(SB)          // 初始化 CPU 个数和内存页大小
	CALL	runtime·schedinit(SB)       // 调度器初始化
	// 创建一个新的 goroutine 来启动程序
	MOVQ	$runtime·mainPC(SB), AX		// entry
	CALL	runtime·newproc(SB)         // 创建第一个协程,也是主协程,并将 runtime.main作为函数入口
	CALL	runtime·mstart(SB)          // 启动M,开始调度goroutine/调度循环
	...

调度初始化

func schedinit() {
	...
	_g_ := getg()
	...
	sched.maxmcount = 10000     // 最大线程数10000
	mcommoninit(_g_.m, -1)      // M0 初始化
	...	  
	gcinit()                    // 垃圾回收器初始化
	sched.lastpoll = uint64(nanotime())
    // 通过 CPU 核心数和 GOMAXPROCS 环境变量确定 P 的数量
	procs := ncpu               // 默认情况下procs等于cpu个数
	if n, ok := atoi32(gogetenv("GOMAXPROCS")); ok && n > 0 {
		procs = n
	}
    // 分配procs个P 
	if procresize(procs) != nil {   
		throw("unknown runnable goroutine during bootstrap")
	}
    ...
}
func procresize(nprocs int32) *p {
    // 申请存储P的数组
	if nprocs > int32(len(allp)) {
	    allp = ...
	}
    // 对新P进行内存分配和初始化,并保存到allp数组中
    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))
    }
}
// 汇编 newproc ==> wakeup ==> startm
func startm(_p_ *p, spinning bool) {    // 调度一些M 来运行P(如有必要,创建一个M)
    mp := acquirem()
    if _p_ == nil {             // 如果没有传入p,就获取一个idel p
        _p_ = pidleget()
    }
    nmp := mget()               // 再获取一个空闲的M
    if nmp == nil {
        newm(fn, _p_, id)       // 如果获取不到,就创建一个
        ...
        return
    }
    ...
}

启动调度系统

// 汇编 mstart ==> mstart0
func mstart0(){
    ...
    mstart1()
}
func mstart1(){
    ...
    schedule()  // 进入调度循环
}

在大多数情况下都会调用 schedule 触发一次 Goroutine 调度,这个函数的主要作用就是从不同的地方查找待执行的 Goroutine:

func schedule() {
    _g_ := getg()
top:
    var gp *g
    var inheritTime bool
    // 有一定几率会从全局的运行队列中选择一个 Goroutine
    // 为了保证调度的公平性,每个工作线程每进行61次调度就需要优先从全局运行队列中获取goroutine出来运行,因为如果只调度本地运行队列中的goroutine,则全局运行队列中的g会被饿死
    if gp == nil {
        if _g_.m.p.ptr().schedtick%61 == 0 && sched.runqsize > 0 {
            lock(&sched.lock)
            gp = globrunqget(_g_.m.p.ptr(), 1)
            unlock(&sched.lock)
        }
    }
    // 从当前处理器本地的运行队列中查找待执行的 Goroutine;
    if gp == nil {
        gp, inheritTime = runqget(_g_.m.p.ptr())
        if gp != nil && _g_.m.spinning {
            throw("schedule: spinning with local work")
        }
    }
    // 尝试从其他处理器上取出一部分 Goroutine,如果没有可执行的任务就会阻塞直到条件满足;
    if gp == nil {
        gp, inheritTime = findrunnable()  // 阻塞地查找可用G
    }
    // 执行G任务函数
    execute(gp, inheritTime)
}

findrunnable 函数会再次从本地运行队列、全局运行队列、网络轮询器和其他的处理器中偷取/获取待执行的任务,该方法一定会返回待执行的 Goroutine,否则就会一直阻塞。获取可以执行的任务之后就会调用 execute 函数执行该 Goroutine,执行的过程中会先将其状态修改成 _Grunning、与线程 M 建立起双向的关系并调用 gogo 触发调度。

func execute(gp *g, inheritTime bool) {
    _g_ := getg()
    // 将 g 正式切换为 _Grunning 状态
    casgstatus(gp, _Grunnable, _Grunning)
    gp.waitsince = 0
    // 抢占信号
    gp.preempt = false
    gp.stackguard0 = gp.stack.lo + _StackGuard
    if !inheritTime {
        _g_.m.p.ptr().schedtick++
    }
    // 与线程 M 建立起双向的关系
    _g_.m.curg = gp
    gp.m = _g_.m
    // gogo完成从g0到gp的切换
    gogo(&gp.sched)
}

至此 linux 启动入口 runtime·rt0_go ==> runtime初始化;创建主协程,把主协程加入P;唤醒M启动调度执行P中的协程,整个go的调度系统就算是跑起来了,第一个跑的g 就是主协程(入口函数是runtime.main),runtime.main 在执行到main 包之前,还做了不少其它工作,最后执行用户main函数。

func main(){
    g := getg()
    systemstack(func(){             // 在系统栈上运行sysmon。sysmon的工作是系统后台监控(定期gc和调度抢占)
        newm(sysmon, nil, -1)
    })
    doInit(&runtime_inittask)       // 执行runtime包的init 函数
    gcenable()                      // gc 启动一个g 进行gc 清扫
    doInit(&main_inittask)          // 执行main init函数,包括用户定义的所有init 函数
    fn := main_main                 // 执行用户main
    fn()
    exit(0)                         // 退出程序
}

协程切换

从源码角度看 Golang 的调度

gogo 在不同处理器架构上的实现都不相同,但是不同的实现其实也大同小异,下面是该函数在 386 架构上的实现:

TEXT runtime·gogo(SB), NOSPLIT, $8-4
    MOVL	buf+0(FP), BX		// gobuf
    MOVL	gobuf_g(BX), DX
    MOVL	0(DX), CX		// make sure g != nil
    get_tls(CX)
    MOVL	DX, g(CX)
    MOVL	gobuf_sp(BX), SP	// restore SP
    MOVL	gobuf_ret(BX), AX
    MOVL	gobuf_ctxt(BX), DX
    MOVL	$0, gobuf_sp(BX)	// clear to help garbage collector
    MOVL	$0, gobuf_ret(BX)
    MOVL	$0, gobuf_ctxt(BX)
    MOVL	gobuf_pc(BX), BX
    JMP	BX

runtime.gogo 中会从 runtime.gobuf 中取出 runtime.goexit 的程序计数器和待执行函数的程序计数器,伪造成goexit函数调用了fn,从而使fn执行完成后执行ret指令时返回到goexit继续执行完成最后的清理工作(所以goroutine 没有返回值)。runtime.goexit ==> runtime·goexit1 ==> mcall(goexit0) ==> goexit0,goexit0 会对 G 进行复位操作,解绑 M 和 G 的关联关系,将其 放入 gfree 链表中等待其他的 go 语句创建新的 g。在最后,goexit0 会重新调用 schedule触发新一轮的调度。PS:就切换几个寄存器(PC和SP),所以协程的切换成本更低

func goexit0(gp *g) {
    _g_ := getg()
    // 设置当前G状态为_Gdead
    casgstatus(gp, _Grunning, _Gdead) 
    // 清理G
    gp.m = nil
    ...
    gp.writebuf = nil
    gp.waitreason = 0
    gp.param = nil
    gp.labels = nil
    gp.timer = nil
    
    // 解绑M和G
    dropg() 
    ...
    // 将G扔进gfree链表中等待复用
    gfput(_g_.m.p.ptr(), gp)
    // 再次进行调度
    schedule()
}

goroutine 创建

go 关键字在编译期间通过 stmt 和 call 两个方法将该关键字转换成 newproc 函数调用,代码的路径和原理与 defer 关键字几乎完全相同。我们向 newproc 中传入一个表示函数的指针 funcval,在这个函数中我们还会获取当前调用 newproc 函数的 Goroutine 以及调用方的程序计数器 PC,然后调用 newproc1 函数:

// $GOROOT/src/runtime/proc.go
func newproc(siz int32, fn *funcval) {
    argp := add(unsafe.Pointer(&fn), sys.PtrSize)
    gp := getg()    // 获取当前的 G 
    pc := getcallerpc()
    newproc1(fn, (*uint8)(argp), siz, gp, pc)
}

newproc1 函数的主要作用就是创建一个运行传入参数 fn 的 g 结构体,并对其各个成员赋值。

func newproc1(fn *funcval, argp *uint8, narg int32, callergp *g, callerpc uintptr) {
    _g_ := getg()
    siz := narg
    siz = (siz + 7) &^ 7
    _p_ := _g_.m.p.ptr()
    // 获取或创建一个 g struct
    newg := gfget(_p_)
    if newg == nil {
        newg = malg(_StackMin)
        casgstatus(newg, _Gidle, _Gdead)
        allgadd(newg)
    }
    // 获取新创建 Goroutine 的堆栈并直接通过 memmove 将函数 fn 需要的参数全部拷贝到栈中
    totalSize := 4*sys.RegSize + uintptr(siz) + sys.MinFrameSize
    totalSize += -totalSize & (sys.SpAlign - 1)
    sp := newg.stack.hi - totalSize
    spArg := sp
    if narg > 0 {
        memmove(unsafe.Pointer(spArg), unsafe.Pointer(argp), uintptr(narg))
    }
    // 初始化新 Goroutine 的栈指针、程序计数器、调用方程序计数器等属性
    memclrNoHeapPointers(unsafe.Pointer(&newg.sched), unsafe.Sizeof(newg.sched))
    newg.sched.sp = sp
    newg.stktopsp = sp
    newg.sched.pc = funcPC(goexit) + sys.PCQuantum
    newg.sched.g = guintptr(unsafe.Pointer(newg))
    gostartcallfn(&newg.sched, fn)
    newg.gopc = callerpc
    newg.startpc = fn.fn
    if isSystemGoroutine(newg, false) {
        atomic.Xadd(&sched.ngsys, +1)
    }
    // 将新 Goroutine 的状态从 _Gdead 切换成 _Grunnable 并设置 Goroutine 的标识符(goid)
    casgstatus(newg, _Gdead, _Grunnable)

    newg.goid = int64(_p_.goidcache)
    _p_.goidcache++
    // runqput 函数会将新的 Goroutine 添加到处理器 P 的运行队列上
    runqput(_p_, newg, true)
    // 如果符合条件,当前函数会通过 wakep 来添加一个新的 p 结构体来执行 Goroutine
    if atomic.Load(&sched.npidle) != 0 && atomic.Load(&sched.nmspinning) == 0 && mainStarted {
        wakep() // 唤醒线程 执行 G
    }
}

图解

初始化

在主线程第一次被调度起来执行第一条指令之前,主线程的函数栈如下图所示:

初始化全局变量g0,g0的主要作用是提供一个栈供runtime代码执行。 PS:代码执行就得有一个栈结构存在?

把m0和g0绑定在一起,这样,之后在主线程中通过get_tls可以获取到g0,通过g0的m成员又可以找到m0,于是这里就实现了m0和g0与主线程之间的关联

初始化p和allp

创建 main goroutine。多了一个我们称之为newg的g结构体对象,该对象也已经获得了从堆上分配而来的2k大小的栈空间,newg的stack.hi和stack.lo分别指向了其栈空间的起止位置。

调整newg的栈空间,把goexit函数的第二条指令的地址入栈,伪造成goexit函数调用了fn,从而使fn执行完成后执行ret指令时返回到goexit继续执行完成最后的清理工作;重新设置newg.buf.pc 为需要执行的函数的地址,即fn,我们这个场景为runtime.main函数的地址。修改newg的状态为_Grunnable并把其放入了运行队列

gogo函数也是通过汇编语言编写的,这里之所以需要使用汇编,是因为goroutine的调度涉及不同执行流之间的切换,前面我们在讨论操作系统切换线程时已经看到过,执行流的切换从本质上来说就是CPU寄存器以及函数调用栈的切换(PS:栈的切换没有在之前的意识里),然而不管是go还是c这种高级语言都无法精确控制CPU寄存器的修改,因而高级语言在这里也就无能为力了,只能依靠汇编指令来达成目的。

  1. 保存g0的调度信息,主要是保存CPU栈顶寄存器SP到g0.sched.sp成员之中;
  2. 调用schedule函数寻找需要运行的goroutine,我们这个场景找到的是main goroutine;
  3. 调用gogo函数首先从g0栈切换到main goroutine的栈,然后从main goroutine的g结构体对象之中取出sched.pc的值并使用JMP指令跳转到该地址去执行;
  4. main goroutine执行完毕直接调用exit系统调用退出进程。

入口函数是runtime.main,runtime.main函数主要工作流程如下:

  1. 启动一个sysmon系统监控线程,该线程负责整个程序的gc、抢占调度以及netpoll等功能的监控
  2. 执行runtime包的初始化;
  3. 执行main包以及main包import的所有包的初始化;
  4. 执行main.main函数;
  5. 从main.main函数返回后调用exit系统调用退出进程;

非main goroutine执行完成后就会返回到goexit继续执行,而main goroutine执行完成后整个进程就结束了,这是main goroutine与其它goroutine的一个区别。

func g2(n int, ch chan int) {
    ch <- n*n
}
func main() {
    ch := make(chan int)
    go g2(100, ch)
    fmt.Println(<-ch)
}

“M的”调度循环

go func(){...} 创建goroutine 到调度循环。

M 是 Go 代码运行的真实载体,包括 Goroutine 调度器自身的逻辑也是在 M 中运行的。M在绑定有效的 P 后,进入一个调度循环,而调度循环的机制大致是从 P 的本地运行队列以及全局队列中获取 G,切换到 G 的执行栈上并执行 G 的函数,调用 goexit 做清理工作并回到 M,如此反复。

伪代码

for i:=0;i<N;i++{   // 创建N个操作系统线程执行schedule函数
    create_os_thread(schedule) 
}
func schedule(){
    for{
        g := find_a_runnable_goroutine_from_M_goroutines();
        run_g(g)    // cpu 运行该goroutine,直到需要调度其它goroutine 才返回
        save_status_of_g(g) // 保存goroutine的状态,主要是寄存器的值
    }
}

m 拿到 goroutine 并运行它的过程就是一个消费者消费队列的过程

// gogo 会伪造 goexit 调用了用户协程fn,fn执行完“回到”goexit
schedule()->execute()->gogo()->用户协程->goexit()->goexit1()->mcall()->goexit0()->schedule()

一轮调度是从调用schedule函数开始的,然后经过一系列代码的执行到最后又再次通过调用schedule函数来进行新一轮的调度,从一轮调度到新一轮调度的这一过程我们称之为一个调度循环,这里说的调度循环是指某一个工作线程的调度循环,而同一个Go程序中可能存在多个工作线程,每个工作线程都有自己的调度循环,也就是说每个工作线程都在进行着自己的调度循环。

调度策略

GMP模型结合了协同式调度与抢占式调度的特点,其中主动调度和被动调度体现了协程间的协作,而 sysmon 协程执行的抢占式调度确保了即使协程长时间运行或阻塞也能被及时中断,从而公平高效地分配 CPU 资源。

  1. 主动调度:协程通过 runtime.Goshed 方法主动让渡自己的执行权利,之后这个协程会被放到全局队列中,等待后续被执行。
  2. 被动调度:协程在休眠、channel 通道阻塞、网络 I/O 堵塞、执行垃圾回收时被暂停,被动式让渡自己的执行权利。大部分场景都是被动调度,这是 Go 高性能的一个原因,让 M 永远不停歇,不处于等待的协程让出 CPU 资源执行其他任务。
    1. Go 语言通过 Syscall 和 Rawsyscall 等使用汇编语言编写的方法封装了操作系统提供的所有系统调用
  3. 抢占式调度:sysmon 协程上的调度,当发现 G 处于系统调用(如调用网络 io )超过 20 微秒或者 G 运行时间过长(超过10ms),会抢占 G 的执行 CPU 资源,让渡给其他协程,防止其他协程没有执行的机会。
    1. 函数调用时执行栈分段检查自身的抢占标记, 决定是否继续执行

类似的,linux 进程会主动调用schedule() 触发调度让出cpu 控制权。

协作式的抢占

在 Go1.13 之前,它是协作式的。当 sysmon 发现 M 已运行同一个 G(Goroutine)10ms 以上时,它会将该 G 的内部参数 preempt 设置为 true。然后,在函数序言中(Go 编译器在每个函数或方法的入口处加上了一段额外的代码 runtime.morestack_noctxt),当 G 进行函数调用时,G 会检查自己的 preempt 标志,如果它为 true,则它将自己与 M 分离并推入“全局队列”。

但有个漏洞

func main() {
    go fmt.Println("hi")
    // 在go1.13及之前,如果没有函数调用,即使设置了抢占标志,也不会进行该标志的检查。
    for {
    }
}

基于信号的异步抢占机制

Go1.14 引入抢占式调度

  1. M 启动时会注册信号处理函数:sighandler。
  2. sysmon 会检测到运行了 10ms 以上的 G(goroutine)。调用preemptone,向正在运行的 goroutine 所绑定的的那个 M(也可以说是线程)发出 SIGURG 信号。
  3. G所在的M,runtime.sighandler函数就是负责处理接收到的信号的。如果收到的信号是sigPreempt,就调用doSigPreempt函数。通过pushCall向G的执行上下文中注入一个函数调用runtime.asyncPreempt(骚操作,粗略看做向当前G的PC 地址后插入CALL 指令)
  4. 当前 goroutine 执行 asyncPreempt 函数,通过 mcall 切到 g0 栈执行 gopreempt_m。最终会调用schedule函数。PS:拿到go struct 对象就可以拿到对应的stack、gobuf结构,改变pc、sp 等值,就可以给 goroutine 强塞一个代码里没写的函数执行
  5. 被抢占的 goroutine 再次调度过来执行时,会继续原来的执行流。

这个抢占机制也让垃圾回收器受益,可以用更高效的方式终止所有的协程。诚然,STW 现在非常容易,Go 仅需要向所有运行的线程发出一个信号就可以了。PS: linux 多了时间片硬件中断,中断是指令完毕时,进而执行中断处理程序,os重新拿到cpu使用权(继而执行Schedule),golang 用信号机制 接近模拟了这个过程,其实还是用 了linux 机制才能拦住执行流。

从 gopark 到 schedule

func gopark(unlockf func(*g, unsafe.Pointer) bool, lock unsafe.Pointer, reason waitReason, traceEv byte, traceskip int) {
    mp := acquirem()
    gp := mp.curg
    mp.waitlock = lock
    mp.waitunlockf = unlockf
    gp.waitreason = reason
    mp.waittraceev = traceEv
    mp.waittraceskip = traceskip
    releasem(mp)
    mcall(park_m)
}

gopark 函数中会更新当前处理器(mp)的状态并在处理器上设置该 Goroutine 的等待原因。gopark中调用的 park_m 函数会将当前 Goroutine 的状态从 _Grunning 切换至 _Gwaiting 并调用 waitunlockf 函数进行解锁

func park_m(gp *g) {
    _g_ := getg()
    casgstatus(gp, _Grunning, _Gwaiting)
    dropg()
    if fn := _g_.m.waitunlockf; fn != nil {
        ok := fn(gp, _g_.m.waitlock)
        _g_.m.waitunlockf = nil
        _g_.m.waitlock = nil
        if !ok {
            casgstatus(gp, _Gwaiting, _Grunnable)
            execute(gp, true) // Schedule it back, never returns.
        }
    }
    schedule()
}

Go的栈

一文教你搞懂 Go 中栈操作

  1. 多任务操作系统中的每个进程都在自己的内存沙盒中运行。PS: 内存的沙盒
  2. 栈是一种栈数据结构,用于存储有关计算机程序的活动 subroutines 信息。栈帧stack frame又常被称为帧frame是在调用栈中储存的函数之间的调用关系,每一帧对应了函数调用以及它的参数数据。
  3. linux线程的栈是os 进程内存模型的一部分,task_struct 是描述进程/线程的一个环节,栈跟task_struct 关系不大。而goroutine的栈是runtime/编译器分配的, 就在goroutine struct中(待确认)。在 Goroutine 中有一个 stack 数据结构,里面有两个属性 lo 与 hi,描述了实际的栈内存地址。创建goroutine 时将栈赋给goroutine: runtime·newproc ==> runtime.newproc1 ==> malg(stacksize)
  4. 栈会根据大小的不同从不同的位置进行分配。
    1. 小栈内存分配。从 stackpool 分配栈空间,否则从 mcache 中获取。如果 mcache 对应的 stackcache 获取不到,那么调用 stackcacherefill 从堆上申请一片内存空间填充到 stackcache 中。
    2. 大栈内存分配。运行时会查看 stackLarge 中是否有剩余的空间,如果不存在剩余空间,它也会调用 mheap_.allocManual 从堆上申请新的内存。

goroutine泄露

如果你启动了一个 goroutine,但并没有符合预期的退出,直到程序结束,此goroutine才退出,这种情况就是 goroutine 泄露。当 goroutine 泄露发生时,该 goroutine 的栈(一般 2k 内存空间起)一直被占用不能释放,goroutine 里的函数在堆上申请的空间也不能被 垃圾回收器 回收。这样,在程序运行期间,内存占用持续升高,可用内存越来也少,最终将导致系统崩溃。