schedule 循环如何启动

上一讲新创建了一个 goroutine,设置好了 sched 成员的 sp 和 pc 字段,并且将其添加到了 p0 的本地可运行队列,坐等调度器的调度。

我们继续看代码。搞了半天,我们其实还在 runtime·rt0_go 函数里,执行完 runtime·newproc(SB) 后,两条 POP 指令将之前为调用它构建的参数弹出栈。好消息是,最后就只剩下一个函数了:

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// start this M
// 主线程进入调度循环,运行刚刚创建的 goroutine
CALL	runtime·mstart(SB)

这到达了本系列的核心区,前面铺垫了半天,调度器终于要开始运转了。

mstart 函数设置了 stackguard0 和 stackguard1 字段后,就直接调用 mstart1() 函数:

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func mstart1() {
    // 启动过程时 _g_ = m0.g0
    _g_ := getg()

    if _g_ != _g_.m.g0 {
        throw("bad runtime·mstart")
    }

    // Record top of stack for use by mcall.
    // Once we call schedule we're never coming back,
    // so other calls can reuse this stack space.
    // 
    // 一旦调用 schedule() 函数,永不返回
    // 所以栈帧可以被复用
    gosave(&_g_.m.g0.sched)
    _g_.m.g0.sched.pc = ^uintptr(0) // make sure it is never used
    asminit()
    minit()

    // ……………………

    // 执行启动函数。初始化过程中,fn == nil
    if fn := _g_.m.mstartfn; fn != nil {
        fn()
    }

    if _g_.m.helpgc != 0 {
        _g_.m.helpgc = 0
        stopm()
    } else if _g_.m != &m0 {
        acquirep(_g_.m.nextp.ptr())
        _g_.m.nextp = 0
    }
    
    // 进入调度循环。永不返回
    schedule()
}

调用 gosave 函数来保存调度信息到 g0.sched 结构体,来看源码:

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// void gosave(Gobuf*)
// save state in Gobuf; setjmp
TEXT runtime·gosave(SB), NOSPLIT, $0-8
    // 将 gobuf 赋值给 AX
    MOVQ    buf+0(FP), AX       // gobuf
    // 取参数地址,也就是 caller 的 SP
    LEAQ    buf+0(FP), BX       // caller's SP
    // 保存 caller's SP,再次运行时的栈顶
    MOVQ    BX, gobuf_sp(AX)
    MOVQ    0(SP), BX       // caller's PC
    // 保存 caller's PC,再次运行时的指令地址
    MOVQ    BX, gobuf_pc(AX)
    MOVQ    $0, gobuf_ret(AX)
    MOVQ    BP, gobuf_bp(AX)
    // Assert ctxt is zero. See func save.
    MOVQ    gobuf_ctxt(AX), BX
    TESTQ   BX, BX
    JZ  2(PC)
    CALL    runtime·badctxt(SB)
    // 获取 tls
    get_tls(CX)
    // 将 g 的地址存入 BX
    MOVQ    g(CX), BX
    // 保存 g 的地址
    MOVQ    BX, gobuf_g(AX)
    RET

主要是设置了 g0.sched.sp 和 g0.sched.pc,前者指向 mstart1 函数栈上参数的位置,后者则指向 gosave 函数返回后的下一条指令。如下图:

调用 gosave 函数后

图中 sched.pc 并不直接指向返回地址,所以图中的虚线并没有箭头。

接下来,进入 schedule 函数,永不返回。

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// 执行一轮调度器的工作:找到一个 runnable 的 goroutine,并且执行它
// 永不返回
func schedule() {
    // _g_ = 每个工作线程 m 对应的 g0,初始化时是 m0 的 g0
    _g_ := getg()

    // ……………………

top:
    // ……………………

    var gp *g
    var inheritTime bool

    // ……………………

    if gp == nil {
        // Check the global runnable queue once in a while to ensure fairness.
        // Otherwise two goroutines can completely occupy the local runqueue
        // by constantly respawning each other.
        // 为了公平,每调用 schedule 函数 61 次就要从全局可运行 goroutine 队列中获取
        if _g_.m.p.ptr().schedtick%61 == 0 && sched.runqsize > 0 {
            lock(&sched.lock)
            // 从全局队列最大获取 1 个 gorutine
            gp = globrunqget(_g_.m.p.ptr(), 1)
            unlock(&sched.lock)
        }
    }

    // 从 P 本地获取 G 任务
    if gp == nil {
        gp, inheritTime = runqget(_g_.m.p.ptr())
        if gp != nil && _g_.m.spinning {
            throw("schedule: spinning with local work")
        }
    }
    
    if gp == nil {
        // 从本地运行队列和全局运行队列都没有找到需要运行的 goroutine,
        // 调用 findrunnable 函数从其它工作线程的运行队列中偷取,如果偷不到,则当前工作线程进入睡眠
        // 直到获取到 runnable goroutine 之后 findrunnable 函数才会返回。
        gp, inheritTime = findrunnable() // blocks until work is available
    }

    // This thread is going to run a goroutine and is not spinning anymore,
    // so if it was marked as spinning we need to reset it now and potentially
    // start a new spinning M.
    if _g_.m.spinning {
        resetspinning()
    }

    if gp.lockedm != nil {
        // Hands off own p to the locked m,
        // then blocks waiting for a new p.
        startlockedm(gp)
        goto top
    }

    // 执行 goroutine 任务函数
    // 当前运行的是 runtime 的代码,函数调用栈使用的是 g0 的栈空间
    // 调用 execute 切换到 gp 的代码和栈空间去运行
    execute(gp, inheritTime)
}

调用 runqget,从 P 本地可运行队列先选出一个可运行的 goroutine;为了公平,调度器每调度 61 次的时候,都会尝试从全局队列里取出待运行的 goroutine 来运行,调用 globrunqget;如果还没找到,就要去其他 P 里面去偷一些 goroutine 来执行,调用 findrunnable 函数。

经过千辛万苦,终于找到了可以运行的 goroutine,调用 execute(gp, inheritTime) 切换到选出的 goroutine 栈执行,调度器的调度次数会在这里更新,源码如下:

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// 调度 gp 在当前 M 上运行
// 如果 inheritTime 为真,gp 执行当前的时间片
// 否则,开启一个新的时间片
// 
//go:yeswritebarrierrec 
func execute(gp *g, inheritTime bool) {
    // g0
    _g_ := getg()

    // 将 gp 的状态改为 running
    casgstatus(gp, _Grunnable, _Grunning)
    gp.waitsince = 0
    gp.preempt = false
    gp.stackguard0 = gp.stack.lo + _StackGuard
    if !inheritTime {
        // 调度器调度次数增加 1
        _g_.m.p.ptr().schedtick++
    }

    // 将 gp 和 m 关联起来
    _g_.m.curg = gp
    gp.m = _g_.m

    // …………………………

    // gogo 完成从 g0 到 gp 真正的切换
    // CPU 执行权的转让以及栈的切换
    // 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,
    // 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
    gogo(&gp.sched)
}

将 gp 的状态改为 _Grunning,将 m 和 gp 相互关联起来。最后,调用 gogo 完成从 g0 到 gp 的切换,CPU 的执行权将从 g0 转让到 gp。 gogo 函数用汇编语言写成,原因如下:

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,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,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。

继续看 gogo 函数的实现,传入 &gp.sched 参数,源码如下:

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TEXT runtime·gogo(SB), NOSPLIT, $16-8
    // 0(FP) 表示第一个参数,即 buf = &gp.sched
    MOVQ    buf+0(FP), BX       // gobuf

    // ……………………
    
    MOVQ    buf+0(FP), BX

nilctxt:
    // DX = gp.sched.g
    MOVQ    gobuf_g(BX), DX
    MOVQ    0(DX), CX       // make sure g != nil
    get_tls(CX)
    // 将 g 放入到 tls[0]
    // 把要运行的 g 的指针放入线程本地存储,这样后面的代码就可以通过线程本地存储
    // 获取到当前正在执行的 goroutine 的 g 结构体对象,从而找到与之关联的 m 和 p
    // 运行这条指令之前,线程本地存储存放的是 g0 的地址
    MOVQ    DX, g(CX)
    // 把 CPU 的 SP 寄存器设置为 sched.sp,完成了栈的切换
    MOVQ    gobuf_sp(BX), SP    // restore SP
    // 恢复调度上下文到CPU相关寄存器
    MOVQ    gobuf_ret(BX), AX
    MOVQ    gobuf_ctxt(BX), DX
    MOVQ    gobuf_bp(BX), BP
    // 清空 sched 的值,因为我们已把相关值放入 CPU 对应的寄存器了,不再需要,这样做可以少 GC 的工作量
    MOVQ    $0, gobuf_sp(BX)    // clear to help garbage collector
    MOVQ    $0, gobuf_ret(BX)
    MOVQ    $0, gobuf_ctxt(BX)
    MOVQ    $0, gobuf_bp(BX)
    // 把 sched.pc 值放入 BX 寄存器
    MOVQ    gobuf_pc(BX), BX
    // JMP 把 BX 寄存器的包含的地址值放入 CPU 的 IP 寄存器,于是,CPU 跳转到该地址继续执行指令
    JMP BX

注释地比较详细了。核心的地方是:

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MOVQ    gobuf_g(BX), DX
// ……
get_tls(CX)
MOVQ    DX, g(CX)

第一行,将 gp.sched.g 保存到 DX 寄存器;第二行,我们见得已经比较多了,get_tls 将 tls 保存到 CX 寄存器,再将 gp.sched.g 放到 tls[0] 处。这样,当下次再调用 get_tls 时,取出的就是 gp,而不再是 g0,这一行完成从 g0 栈切换到 gp。

可能需要提一下的是,Go plan9 汇编中的一些奇怪的符号:

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MOVQ    buf+0(FP), BX  # &gp.sched --> BX

FP 是个伪奇存器,前面加 0 表示是第一个寄存器,表示参数的位置,最前面的 buf 表示一个符号。关于 Go 汇编语言的一些知识,可以参考曹大在夜读上的分享和《Go 语言高级编程》的相关章节,地址见参考资料。

接下来,将 gp.sched 的相关成员恢复到 CPU 对应的寄存器。最重要的是 sched.sp 和 sched.pc,前者被恢复到了 SP 寄存器,后者被保存到 BX 寄存器,最后一条跳转指令跳转到新的地址开始执行。通过之前的文章,我们知道,这里保存的就是 runtime.main 函数的地址。

最终,调度器完成了这个值得铭记的时刻,从 g0 转到 gp,开始执行 runtime.main 函数。

用一张流程图总结一下从 g0 切换到 main goroutine 的过程:

从 g0 到 gp

参考资料 #

【欧神 调度循环】https://github.com/changkun/go-under-the-hood/blob/master/book/zh-cn/part2runtime/ch06sched/exec.md

【go 语言核心编程技术 调度器系列】https://mp.weixin.qq.com/s/8eJm5hjwKXya85VnT4y8Cw

【曹大 Go plan9 汇编】https://github.com/cch123/asmshare/blob/master/layout.md

【Go 语言高级编程】https://chai2010.cn/advanced-go-programming-book/ch3-asm/readme.html