Golang源码学习：调度逻辑（三）工作线程的执行流程与调度循环

本文内容主要分为三部分：

1. main goroutine 的调度运行
2. 非 main goroutine 的退出流程
3. 工作线程的执行流程与调度循环。

main goroutine 的调度运行

runtime·rt0_go中在调用完runtime.newproc创建main goroutine后，就调用了runtime.mstart。让我们来分析一下这个函数。

mstart

mstart没什么太多工作，然后就调用了mstart1。

func mstart() {
	_g_ := getg()
        // 在启动阶段，_g_.stack早就完成了初始化，所以osStack是false，下面被省略的也不会执行。
	osStack := _g_.stack.lo == 0
	......
	_g_.stackguard0 = _g_.stack.lo + _StackGuard
	_g_.stackguard1 = _g_.stackguard0
	mstart1()
        ......
	mexit(osStack)
}

mstart1

• 调用save保存g0的状态
• 处理信号相关
• 调用 schedule 开始调度

func mstart1() {
	_g_ := getg()

	if _g_ != _g_.m.g0 {
		throw("bad runtime·mstart")
	}
	save(getcallerpc(), getcallersp())	// 保存调用mstart1的函数（mstart）的 pc 和 sp。
	asminit()				// 空函数
	minit()					// 信号相关

	if _g_.m == &m0 {			// 初始化时会执行这里，也是信号相关
		mstartm0()
	}

	if fn := _g_.m.mstartfn; fn != nil {	// 初始化时 fn = nil，不会执行这里
		fn()
	}

	if _g_.m != &m0 {			// 不是m0的话，没有p。绑定一个p
		acquirep(_g_.m.nextp.ptr())
		_g_.m.nextp = 0
	}
	schedule()
}

save(pc, sp uintptr) 保存调度信息

保存当前g（初始化时为g0）的状态到sched字段中。

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 开始调度

调用globrunqget、runqget、findrunnable获取一个可执行的g

func schedule() {
	_g_ := getg()	// g0
        ......
	var gp *g	// 初始化时，经过下面一系列查找，会找到main goroutine，因为目前为止整个运行时只有这一个g（除了g0）。
	var inheritTime bool
        ......
	if gp == nil {
                // 该p上每进行61次就从全局队列中获取一个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 {
                // 从p的runq中获取一个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 {
                // 寻找可执行的g，会尝试从本地，全局运行对列获取，如果没有，从其他p那里偷取。
		gp, inheritTime = findrunnable() // blocks until work is available
	}
	......
	execute(gp, inheritTime)
}

execute：安排g在当前m上运行

• 被调度的 g 与 m 相互绑定
• 更改g的状态为 _Grunning
• 调用 gogo 切换到被调度的g上

func execute(gp *g, inheritTime bool) {
	_g_ := getg()	// g0

	_g_.m.curg = gp	// 与下面一行是 gp 和 m 相互绑定。gp 其实就是 main goroutine
	gp.m = _g_.m
	casgstatus(gp, _Grunnable, _Grunning)	// 更改状态
	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)

在本方法下面的讲解中将使用newg代指被调度的g。

gogo函数是用汇编实现的。其作用是：加载newg的上下文，跳转到gobuf.pc指向的函数。

// 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 ，也就是存储的 newg 指针
	MOVQ	0(DX), CX		// make sure g != nil
	get_tls(CX)
	MOVQ	DX, g(CX)		// newg指针设置到tls
	MOVQ	gobuf_sp(BX), SP	// 下面四条是加载上下文到cpu寄存器。
	MOVQ	gobuf_ret(BX), AX
	MOVQ	gobuf_ctxt(BX), DX
	MOVQ	gobuf_bp(BX), BP
	MOVQ	$0, gobuf_sp(BX)	// 下面四条是清零，减少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 存储的是要执行的函数指针，初始化时此函数为runtime.main
	JMP	BX			// 跳转到要执行的函数

runtime.main：main函数的执行

在上面gogo执行最后的JMP指令，其实就是跳转到了runtime.main。

func main() {
	g := getg()		// 获取当前g，已经不是g0了，我们暂且称为maing

	if sys.PtrSize == 8 {	// 64位系统，栈最大为1GB
		maxstacksize = 1000000000
	} else {
		maxstacksize = 250000000
	}
	mainStarted = true
        // 启动监控进程，抢占调度就是在这里实现的
	if GOARCH != "wasm" { // no threads on wasm yet, so no sysmon
		systemstack(func() {
			newm(sysmon, nil)
		})
	}
        ......
	doInit(&runtime_inittask)	// 调用runtime的初始化函数
        ......
	runtimeInitTime = nanotime()	// 记录世界开始时间
	gcenable()			// 开启gc
	......
	doInit(&main_inittask)		// 调用main的初始化函数
        ......
	fn := main_main			// 调用main.main，也就是我们经常写hello world的main。
	fn()
        ......
	exit(0)				// 退出
}

runtime.main主要做了以下的工作：

• 启动监控进程。
• 调用runtime的初始化函数。
• 开启gc。
• 调用main的初始化函数。
• 调用main.main，执行完后退出。

非 main goroutine 的退出流程

首先明确一点，无论是main goroutine还是非main goroutine的都是调用newproc创建的，所以在调度上基本是一致的。

之前的文章中说过，在gostartcall函数中，会将goroutine要执行的函数fn伪造成是被goexit调用的。但是，当fn是runtime.main的时候是没有用的，因为在runtime.main末尾会调用exit(0)退出程序。所以，这只对非main goroutine起作用。让我们简单验证一下。

先给出一个简单的例子：

package main

import "fmt"

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

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

dlv调试一波：

root@xiamin:~/study# dlv debug foo.go
(dlv) b main.foo // 打个断点
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 // 可以看到调用栈中确实存在goexit
0  0x00000000004ad86f in main.foo
   at ./foo.go:11
1  0x0000000000463df1 in runtime.goexit
   at /root/go/src/runtime/asm_amd64.s:1373

// 此处执行三次 s，得到以下结果，确实是回到了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

我们暂且将关联foo的g称之为foog，接下来我们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没什么可说的，看一下mcall

mcall(fn func(*g))

mcall的参数是个函数fn，而fn有个参数是*g，此处fn是goexit0。

mcall是由汇编编写的：

TEXT runtime·mcall(SB), NOSPLIT, $0-8
	MOVQ	fn+0(FP), DI	// 此处 di 存储的是 funcval 结构体指针，funcval.fn 指向的是 goexit0。

	get_tls(CX)
	MOVQ	g(CX), AX	// 此处 ax 中存储的是foog

        // 保存foog的上下文
	MOVQ	0(SP), BX	// caller's PC。mcall的返回地址，此处就是 goexit1 调用 mcall 时的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

        // 切换到m.g0和它的栈，调用fn。
	MOVQ	g(CX), BX			// 此处 bx 中存储的是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)				// 上面的结果不相等就跳转到下面第三行。
	MOVQ	$runtime·badmcall(SB), AX
	JMP	AX
	MOVQ	SI, g(CX)			// g = m->g0。m.g0设置到tls
	MOVQ	(g_sched+gobuf_sp)(SI), SP	// sp = m->g0->sched.sp。设置g0栈.
	PUSHQ	AX				// fn的参数压栈，ax = foog
	MOVQ	DI, DX
	MOVQ	0(DI), DI			// 读取 funcval 结构的第一个成员，也就是 funcval.fn，此处是goexit0。
	CALL	DI				// 调用 goexit0(foog)。
	POPQ	AX
	MOVQ	$runtime·badmcall2(SB), AX
	JMP	AX
	RET

在此场景下，mcall做了以下工作：保存foog的上下文。切换到g0及其栈，调用传入的方法，并将foog作为参数。

可以看到mcall与gogo的作用正好相反：

• gogo实现了从g0切换到某个goroutine，执行关联函数。
• mcall实现了保存某个goroutine，切换到g0及其栈，并调用fn函数，其参数就是被保存的goroutine指针。

goexit0

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

	casgstatus(gp, _Grunning, _Gdead)	// 更改gp状态为_Gdead
	if isSystemGoroutine(gp, false) {
		atomic.Xadd(&sched.ngsys, -1)
	}
        // 下面的一段就是清零gp的属性
	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()				// 解绑gp与当前m。_g_.m.curg.m = nil ; _g_.m.curg = nil 。
        ......
	gfput(_g_.m.p.ptr(), gp)	// 放入空闲列表。如果本地队列太多，会转移一部分到全局队列。
	......
	schedule()			// 重新调度
}

goexit0做了以下工作：

• 将gp属性清零与m解绑
• gfput 放入空闲列表
• schedule 重新调度

工作线程的执行流程与调度循环

以下给出一个工作线程的执行流程简图：

可以看到工作线程的执行是从mstart开始的。schedule->......->goexit0->schedule形成了一个调度循环。

高度概括一下执行流程与调度循环：

• mstart：主要是设置g0.stackguard0，g0.stackguard1。
• mstart1：调用save保存callerpc和callerpc到g0.sched。然后调用schedule开始调度循环。
• schedule：获得一个可执行的g。下面用gp代指。
• execute(gp *g, inheritTime bool)：绑定gp与当前m，状态改为_Grunning。
• gogo(buf *gobuf)：加载gp的上下文，跳转到buf.pc指向的函数。
• 执行buf.pc指向函数。
• goexit->goexit1：调用mcall(goexit0)。
• mcall(fn func(*g))：保存当前g（也就是gp）的上下文；切换到g0及其栈，调用fn，参数为gp。
• goexit0(gp *g)：清零gp的属性，状态_Grunning改为_Gdead；dropg解绑m和gp；gfput放入队列；schedule重新调度。