从源码剖析Go语言基于信号抢占式调度

这一次来讲讲Go的基于信号式抢占式调度。

转载请声明出处哦~，本篇文章发布于luozhiyun的博客：https://www.luozhiyun.com/archives/485

本文使用的go的源码15.7

介绍

在 Go 的 1.14 版本之前抢占试调度都是基于协作的，需要自己主动的让出执行，但是这样是无法处理一些无法被抢占的边缘情况。例如：for 循环或者垃圾回收长时间占用线程，这些问题中的一部分直到 1.14 才被基于信号的抢占式调度解决。

下面我们通过一个例子来验证一下1.14 版本和 1.13 版本之间的抢占差异：

package main

import (
    "fmt"
    "os"
    "runtime"
    "runtime/trace"
    "sync"
)

func main() {
    runtime.GOMAXPROCS(1)
    f, _ := os.Create("trace.output")
    defer f.Close()
    _ = trace.Start(f)
    defer trace.Stop()
    var wg sync.WaitGroup
    for i := 0; i < 30; i++ {
        wg.Add(1)
        go func() {
            defer wg.Done()
            t := 0
            for i:=0;i<1e8;i++ {
                t+=2
            }
            fmt.Println("total:", t)
        }()
    }
    wg.Wait()
}

这个例子中会通过 go trace 来进行执行过程的调用跟踪。在代码中指定 runtime.GOMAXPROCS(1)设置最大的可同时使用的 CPU 核数为1，只用一个 P（处理器），这样就确保是单处理器的场景。然后调用一个 for 循环开启 10 个 goroutines 来执行 func 函数，这是一个纯计算且耗时的函数，防止 goroutines 空闲让出执行。

下面我们编译程序分析 trace 输出：

$ go build -gcflags "-N -l" main.go 
-N表示禁用优化
-l禁用内联

$ ./main

然后我们获取到 trace.output 文件后进行可视化展示：

$ go tool trace -http=":6060" ./trace.output

Go1.13 trace 分析

从上面的这个图可以看出：

因为我们限定了只有一个 P，所以在 PROCS 这一栏里面只有一个 Proc0；
我们在 for 循环里面启动了 30 个 goroutines ，所以我们可以数一下 Proc0 里面的颜色框框，刚好30 个；
30 个 goroutines 在 Proc0 里面是串行执行的，一个执行完再执行另一个，没有进行抢占；
随便点击一个 goroutines 的详情栏可以看到 Wall Duration 为 0.23s 左右，表示这个 goroutines 持续执行了 0.23s，总共 30 个 goroutines 执行时间是 7s 左右；
切入调用栈 Start Stack Trace 是 main.main.func1:20，在代码上面是 func 函数执行头： go func() ；
切走调用栈 End Stack Trace 是 main.main.func1:26，在代码上是 func 函数最后执行打印：fmt.Println("total:", t)；

从上面的 trace 分析可以知道，Go 的协作式调度对 calcSum 函数是毫无作用的，一旦执行开始，只能等执行结束。每个 goroutine 耗费了 0.23s 这么长的时间，也无法抢占它的执行权。

Go 1.14 以上 trace 分析

在 Go 1.14 之后引入了基于信号的抢占式调度，从上面的图可以看到 Proc0 这一栏中密密麻麻都是 goroutines 在切换时的调用情况，不会再出现 goroutines 一旦执行开始，只能等执行结束这种情况。

上面跑动的时间是 4s 左右这个情况可以忽略，因为我是在两台配置不同的机器上跑的（主要是我嫌麻烦要找两台一样的机器）。

下面我们拉近了看一下明细情况：

通过这个明细可以看出：

这个 goroutine 运行了 0.025s 就让出执行了；
切入调用栈 Start Stack Trace 是 main.main.func1:21，和上面一样；
切走调用栈 End Stack Trace 是 runtime.asyncPreempt:50 ，这个函数是收到抢占信号时执行的函数，从这个地方也能明确的知道，被异步抢占了；

分析

抢占信号的安装

runtime/signal_unix.go

程序启动时，在runtime.sighandler中注册 SIGURG 信号的处理函数runtime.doSigPreempt。

initsig

func initsig(preinit bool) {
    // 预初始化
    if !preinit { 
        signalsOK = true
    } 
    //遍历信号数组
    for i := uint32(0); i < _NSIG; i++ {
        t := &sigtable[i]
        //略过信号：SIGKILL、SIGSTOP、SIGTSTP、SIGCONT、SIGTTIN、SIGTTOU
        if t.flags == 0 || t.flags&_SigDefault != 0 {
            continue
        } 
        ...  
        setsig(i, funcPC(sighandler))
    }
}

在 initsig 函数里面会遍历所有的信号量，然后调用 setsig 函数进行注册。我们可以查看 sigtable 这个全局变量看看有什么信息：

var sigtable = [...]sigTabT{
    /* 0 */ {0, "SIGNONE: no trap"},
    /* 1 */ {_SigNotify + _SigKill, "SIGHUP: terminal line hangup"},
    /* 2 */ {_SigNotify + _SigKill, "SIGINT: interrupt"},
    /* 3 */ {_SigNotify + _SigThrow, "SIGQUIT: quit"},
    /* 4 */ {_SigThrow + _SigUnblock, "SIGILL: illegal instruction"},
    /* 5 */ {_SigThrow + _SigUnblock, "SIGTRAP: trace trap"},
    /* 6 */ {_SigNotify + _SigThrow, "SIGABRT: abort"},
    /* 7 */ {_SigPanic + _SigUnblock, "SIGBUS: bus error"},
    /* 8 */ {_SigPanic + _SigUnblock, "SIGFPE: floating-point exception"},
    /* 9 */ {0, "SIGKILL: kill"},
    /* 10 */ {_SigNotify, "SIGUSR1: user-defined signal 1"},
    /* 11 */ {_SigPanic + _SigUnblock, "SIGSEGV: segmentation violation"},
    /* 12 */ {_SigNotify, "SIGUSR2: user-defined signal 2"},
    /* 13 */ {_SigNotify, "SIGPIPE: write to broken pipe"},
    /* 14 */ {_SigNotify, "SIGALRM: alarm clock"},
    /* 15 */ {_SigNotify + _SigKill, "SIGTERM: termination"},
    /* 16 */ {_SigThrow + _SigUnblock, "SIGSTKFLT: stack fault"},
    /* 17 */ {_SigNotify + _SigUnblock + _SigIgn, "SIGCHLD: child status has changed"},
    /* 18 */ {_SigNotify + _SigDefault + _SigIgn, "SIGCONT: continue"},
    /* 19 */ {0, "SIGSTOP: stop, unblockable"},
    /* 20 */ {_SigNotify + _SigDefault + _SigIgn, "SIGTSTP: keyboard stop"},
    /* 21 */ {_SigNotify + _SigDefault + _SigIgn, "SIGTTIN: background read from tty"},
    /* 22 */ {_SigNotify + _SigDefault + _SigIgn, "SIGTTOU: background write to tty"},

    /* 23 */ {_SigNotify + _SigIgn, "SIGURG: urgent condition on socket"},
    /* 24 */ {_SigNotify, "SIGXCPU: cpu limit exceeded"},
    /* 25 */ {_SigNotify, "SIGXFSZ: file size limit exceeded"},
    /* 26 */ {_SigNotify, "SIGVTALRM: virtual alarm clock"},
    /* 27 */ {_SigNotify + _SigUnblock, "SIGPROF: profiling alarm clock"},
    /* 28 */ {_SigNotify + _SigIgn, "SIGWINCH: window size change"},
    /* 29 */ {_SigNotify, "SIGIO: i/o now possible"},
    /* 30 */ {_SigNotify, "SIGPWR: power failure restart"},
    /* 31 */ {_SigThrow, "SIGSYS: bad system call"},
    /* 32 */ {_SigSetStack + _SigUnblock, "signal 32"}, /* SIGCANCEL; see issue 6997 */
    /* 33 */ {_SigSetStack + _SigUnblock, "signal 33"}, /* SIGSETXID; see issues 3871, 9400, 12498 */
    ...
}

具体的信号含义可以看这个介绍：Unix信号 https://zh.wikipedia.org/wiki/Unix%E4%BF%A1%E5%8F%B7。需要注意的是，抢占信号在这里是 _SigNotify + _SigIgn 如下：

{_SigNotify + _SigIgn, "SIGURG: urgent condition on socket"}

下面我们看一下 setsig 函数，这个函数是在 runtime/os_linux.go文件里面：

setsig

func setsig(i uint32, fn uintptr) {
    var sa sigactiont
    sa.sa_flags = _SA_SIGINFO | _SA_ONSTACK | _SA_RESTORER | _SA_RESTART
    sigfillset(&sa.sa_mask)
    ...
    if fn == funcPC(sighandler) {
        // CGO 相关
        if iscgo {
            fn = funcPC(cgoSigtramp)
        } else {
            // 替换为调用 sigtramp
            fn = funcPC(sigtramp)
        }
    }
    sa.sa_handler = fn
    sigaction(i, &sa, nil)
}

这里需要注意的是，当 fn 等于 sighandler 的时候，调用的函数会被替换成 sigtramp。sigaction 函数在 Linux 下会调用系统调用函数 sys_signal 以及 sys_rt_sigaction 实现安装信号。

执行抢占信号

到了这里是信号发生的时候进行信号的处理，原本应该是在发送抢占信号之后，但是这里我先顺着安装信号往下先讲了。大家可以跳到发送抢占信号后再回来。

上面分析可以看到当 fn 等于 sighandler 的时候，调用的函数会被替换成 sigtramp，sigtramp是汇编实现，下面我们看看。

src/runtime/sys_linux_amd64.s:

TEXT runtime·sigtramp<ABIInternal>(SB),NOSPLIT,$72
    ...
    // We don't save mxcsr or the x87 control word because sigtrampgo doesn't
    // modify them.

    MOVQ    DX, ctx-56(SP)
    MOVQ    SI, info-64(SP)
    MOVQ    DI, signum-72(SP)
    MOVQ    $runtime·sigtrampgo(SB), AX
    CALL AX

    ...
    RET

这里会被调用说明信号已经发送响应了，runtime·sigtramp会进行信号的处理。runtime·sigtramp会继续调用 runtime·sigtrampgo 。

这个函数在 runtime/signal_unix.go文件中：

sigtrampgo&sighandler

func sigtrampgo(sig uint32, info *siginfo, ctx unsafe.Pointer) {
    if sigfwdgo(sig, info, ctx) {
        return
    }
    c := &sigctxt{info, ctx}
    g := sigFetchG(c)
    ... 
    sighandler(sig, info, ctx, g)
    setg(g)
    if setStack {
        restoreGsignalStack(&gsignalStack)
    }
}

func sighandler(sig uint32, info *siginfo, ctxt unsafe.Pointer, gp *g) {
    _g_ := getg()
    c := &sigctxt{info, ctxt}
    ... 
  // 如果是一个抢占信号
    if sig == sigPreempt && debug.asyncpreemptoff == 0 { 
        // 处理抢占信号
        doSigPreempt(gp, c) 
    }

    ...
}

sighandler 方法里面做了很多其他信号的处理工作，我们只关心抢占部分的代码，这里最终会通过 doSigPreempt 方法执行抢占。

这个函数在 runtime/signal_unix.go文件中：

doSigPreempt

func doSigPreempt(gp *g, ctxt *sigctxt) { 
    // 检查此 G 是否要被抢占并且可以安全地抢占
    if wantAsyncPreempt(gp) { 
        // 检查是否能安全的进行抢占
        if ok, newpc := isAsyncSafePoint(gp, ctxt.sigpc(), ctxt.sigsp(), ctxt.siglr()); ok {
            // 修改寄存器,并执行抢占调用
            ctxt.pushCall(funcPC(asyncPreempt), newpc)
        }
    }

    // 更新一下抢占相关字段
    atomic.Xadd(&gp.m.preemptGen, 1)
    atomic.Store(&gp.m.signalPending, 0) 
}

函数会处理抢占信号，获取当前的 SP 和 PC 寄存器并调用 ctxt.pushCall修改寄存器，并调用 runtime/preempt.go 的 asyncPreempt 函数。

// 保存用户态寄存器后调用asyncPreempt2
func asyncPreempt()

asyncPreempt 的汇编代码在 src/runtime/preempt_amd64.s中，该函数会保存用户态寄存器后调用 runtime/preempt.go 的 asyncPreempt2 函数中：

asyncPreempt2

func asyncPreempt2() {
    gp := getg()
    gp.asyncSafePoint = true
    // 该 G 是否可以被抢占 
    if gp.preemptStop { 
        mcall(preemptPark)
    } else { 
        // 让 G 放弃当前在 M 上的执行权利,将 G 放入全局队列等待后续调度
        mcall(gopreempt_m)
    }
    gp.asyncSafePoint = false
}

该函数会获取当前 G ，然后判断 G 的 preemptStop 值，preemptStop 会在调用 runtime/preempt.go的 suspendG 函数的时候将 _Grunning 状态的 Goroutine 标记成可以被抢占 gp.preemptStop = true，表示该 G 可以被抢占。

下面我们看一下执行抢占任务会调用的 runtime/proc.go的 preemptPark函数：

preemptPark

func preemptPark(gp *g) {

    status := readgstatus(gp)
    if status&^_Gscan != _Grunning {
        dumpgstatus(gp)
        throw("bad g status")
    }
    gp.waitreason = waitReasonPreempted 
    casGToPreemptScan(gp, _Grunning, _Gscan|_Gpreempted)
    // 使当前 m 放弃 g，让出线程
    dropg()
    // 修改当前 Goroutine 的状态到 _Gpreempted
    casfrom_Gscanstatus(gp, _Gscan|_Gpreempted, _Gpreempted)
    // 并继续执行调度
    schedule()
}

preemptPark 会修改当前 Goroutine 的状态到 _Gpreempted ，调用 dropg 让出线程，最后调用 schedule 函数继续执行其他 Goroutine 的任务循环调度。

gopreempt_m

gopreempt_m 方法比起抢占更像是主动让权，然后重新加入到执行队列中等待调度。

func gopreempt_m(gp *g) { 
    goschedImpl(gp)
}

func goschedImpl(gp *g) {
    status := readgstatus(gp)
    ...
  // 更新状态为 _Grunnable
    casgstatus(gp, _Grunning, _Grunnable)
  // 使当前 m 放弃 g，让出线程
    dropg()
    lock(&sched.lock)
  // 重新加入到全局执行队列中
    globrunqput(gp)
    unlock(&sched.lock)
    // 并继续执行调度
    schedule()
}

抢占信号发送

抢占信号的发送是由 preemptM 进行的。

这个函数在runtime/signal_unix.go文件中：

preemptM

const sigPreempt = _SIGURG

func preemptM(mp *m) {
    ...
    if atomic.Cas(&mp.signalPending, 0, 1) { 

        // preemptM 向 M 发送抢占请求。
        // 接收到该请求后，如果正在运行的 G 或 P 被标记为抢占，并且 Goroutine 处于异步安全点，
        // 它将抢占 Goroutine。
        signalM(mp, sigPreempt)
    }
}

preemptM 这个函数会调用 signalM 将在初始化的安装的 _SIGURG 信号发送到指定的 M 上。

使用 preemptM 发送抢占信号的地方主要有下面几个：

Go 后台监控 runtime.sysmon 检测超时发送抢占信号；
Go GC 栈扫描发送抢占信号；
Go GC STW 的时候调用 preemptall 抢占所有 P，让其暂停；

Go 后台监控执行抢占

系统监控 runtime.sysmon 会在循环中调用 runtime.retake抢占处于运行或者系统调用中的处理器，该函数会遍历运行时的全局处理器。

系统监控通过在循环中抢占主要是为了避免 G 占用 M 的时间过长造成饥饿。

runtime.retake主要分为两部分：

调用 preemptone 抢占当前处理器；
调用 handoffp 让出处理器的使用权；

抢占当前处理器

func retake(now int64) uint32 {
    n := 0

    lock(&allpLock) 
    // 遍历 allp 数组
    for i := 0; i < len(allp); i++ {
        _p_ := allp[i]
        if _p_ == nil { 
            continue
        }
        pd := &_p_.sysmontick
        s := _p_.status
        sysretake := false
        if s == _Prunning || s == _Psyscall {
            // 调度次数
            t := int64(_p_.schedtick)
            if int64(pd.schedtick) != t {
                pd.schedtick = uint32(t)
                // 处理器上次调度时间
                pd.schedwhen = now
            // 抢占 G 的执行，如果上一次触发调度的时间已经过去了 10ms
            } else if pd.schedwhen+forcePreemptNS <= now {
                preemptone(_p_)
                sysretake = true
            }
        }
        ...
    }
    unlock(&allpLock)
    return uint32(n)
}

这一过程会获取当前 P 的状态，如果处于 _Prunning 或者 _Psyscall 状态时，并且上一次触发调度的时间已经过去了 10ms，那么会调用 preemptone 进行抢占信号的发送，preemptone 在上面我们已经讲过了，这里就不再复述。

sysmon_preempt

调用 handoffp 让出处理器的使用权

func retake(now int64) uint32 {
    n := 0
    lock(&allpLock) 
    // 遍历 allp 数组
    for i := 0; i < len(allp); i++ {
        _p_ := allp[i]
        if _p_ == nil { 
            continue
        }
        pd := &_p_.sysmontick
        s := _p_.status
        sysretake := false
        ...
        if s == _Psyscall { 
            // 系统调用的次数
            t := int64(_p_.syscalltick)
            if !sysretake && int64(pd.syscalltick) != t {
                pd.syscalltick = uint32(t)
                // 系统调用的时间
                pd.syscallwhen = now
                continue
            } 
            if runqempty(_p_) && atomic.Load(&sched.nmspinning)+atomic.Load(&sched.npidle) > 0 && pd.syscallwhen+10*1000*1000 > now {
                continue
            } 
            unlock(&allpLock) 
            incidlelocked(-1)
            if atomic.Cas(&_p_.status, s, _Pidle) { 
                n++
                _p_.syscalltick++
                // 让出处理器的使用权
                handoffp(_p_)
            }
            incidlelocked(1)
            lock(&allpLock)
        }
    }
    unlock(&allpLock)
    return uint32(n)
}

这一过程会判断 P 的状态如果处于 _Psyscall 状态时，会进行一个判断，有一个不满足则调用 handoffp 让出 P 的使用权：

runqempty(_p_) ：判断 P 的任务队列是否为空；
atomic.Load(&sched.nmspinning)+atomic.Load(&sched.npidle)：nmspinning 表示正在窃取 G 的数量，npidle 表示空闲 P 的数量，判断是否存在空闲 P 和正在进行调度窃取 G 的 P；
pd.syscallwhen+10*1000*1000 > now：判断是否系统调用时间超过了 10ms ；

Go GC 栈扫描发送抢占信号

GC 相关的内容可以看这篇：《Go语言GC实现原理及源码分析 https://www.luozhiyun.com/archives/475》。Go 在 GC 时对 GC Root 进行标记的时候会扫描 G 的栈，扫描之前会调用 suspendG 挂起 G 的执行才进行扫描，扫描完毕之后再次调用 resumeG 恢复执行。

该函数在：runtime/mgcmark.go:

markroot

func markroot(gcw *gcWork, i uint32) { 
    ...
    switch { 
    ...
    // 扫描各个 G 的栈
    default: 
        // 获取需要扫描的 G
        var gp *g
        if baseStacks <= i && i < end {
            gp = allgs[i-baseStacks]
        } else {
            throw("markroot: bad index")
        } 
        ...
        // 转交给g0进行扫描
        systemstack(func() {  
            ...
            // 挂起 G，让对应的 G 停止运行
            stopped := suspendG(gp)
            if stopped.dead {
                gp.gcscandone = true
                return
            }
            if gp.gcscandone {
                throw("g already scanned")
            }
            // 扫描g的栈
            scanstack(gp, gcw)
            gp.gcscandone = true
            // 恢复该 G 的执行
            resumeG(stopped) 
        })
    }
}

markroot 在扫描栈之前会切换到 G0 转交给g0进行扫描，然后调用 suspendG 会判断 G 的运行状态，如果该 G 处于运行状态 _Grunning，那么会设置 preemptStop 为 true 并发送抢占信号。

该函数在：runtime/preempt.go:

suspendG

func suspendG(gp *g) suspendGState {
    ...
    const yieldDelay = 10 * 1000

    var nextPreemptM int64
    for i := 0; ; i++ {
        switch s := readgstatus(gp); s { 
        ... 
        case _Grunning:
            if gp.preemptStop && gp.preempt && gp.stackguard0 == stackPreempt && asyncM == gp.m && atomic.Load(&asyncM.preemptGen) == asyncGen {
                break
            }
            if !castogscanstatus(gp, _Grunning, _Gscanrunning) {
                break
            }
            // 设置抢占字段
            gp.preemptStop = true
            gp.preempt = true
            gp.stackguard0 = stackPreempt

            asyncM2 := gp.m
            asyncGen2 := atomic.Load(&asyncM2.preemptGen)
            // asyncM 与 asyncGen 标记的是循环里 上次抢占的信息，用来校验不能重复抢占
            needAsync := asyncM != asyncM2 || asyncGen != asyncGen2
            asyncM = asyncM2
            asyncGen = asyncGen2

            casfrom_Gscanstatus(gp, _Gscanrunning, _Grunning)

            if preemptMSupported && debug.asyncpreemptoff == 0 && needAsync { 
                now := nanotime()
                // 限制抢占的频率
                if now >= nextPreemptM {
                    nextPreemptM = now + yieldDelay/2
                    // 执行抢占信号发送
                    preemptM(asyncM)
                }
            }
        }
        ...
    }
}

对于 suspendG 函数我只截取出了 G 在 _Grunning 状态下的处理情况。该状态下会将 preemptStop 设置为 true，也是唯一一个地方设置为 true 的地方。preemptStop 和抢占信号的执行有关，忘记的同学可以翻到上面的 asyncPreempt2 函数中。

Go GC StopTheWorld 抢占所有 P

Go GC STW 是通过 stopTheWorldWithSema 函数来执行的，该函数在 runtime/proc.go:

stopTheWorldWithSema

func stopTheWorldWithSema() {
    _g_ := getg() 

    lock(&sched.lock)
    sched.stopwait = gomaxprocs
    // 标记 gcwaiting，调度时看见此标记会进入等待
    atomic.Store(&sched.gcwaiting, 1)
    // 发送抢占信号
    preemptall() 
    // 暂停当前 P
    _g_.m.p.ptr().status = _Pgcstop // Pgcstop is only diagnostic.
    ...
    wait := sched.stopwait > 0
    unlock(&sched.lock)
    if wait {
        for {
            //  等待 100 us
            if notetsleep(&sched.stopnote, 100*1000) {
                noteclear(&sched.stopnote)
                break
            }
            // 再次进行发送抢占信号
            preemptall()
        }
    }
    ...
}

stopTheWorldWithSema 函数会调用 preemptall 对所有的 P 发送抢占信号。

preemptall 函数的文件位置在 runtime/proc.go:

preemptall

func preemptall() bool {
   res := false
   // 遍历所有的 P
   for _, _p_ := range allp {
      if _p_.status != _Prunning {
         continue
      }
      // 对正在运行的 P 发送抢占信号
      if preemptone(_p_) {
         res = true
      }
   }
   return res
}

preemptall 调用的 preemptone 会将 P 对应的 M 中正在执行的 G 并标记为正在执行抢占；最后会调用 preemptM 向 M 发送抢占信号。

该函数的文件位置在 runtime/proc.go:

preemptone

func preemptone(_p_ *p) bool {
    // 获取 P 对应的 M
    mp := _p_.m.ptr()
    if mp == nil || mp == getg().m {
        return false
    }
    // 获取 M 正在执行的 G
    gp := mp.curg
    if gp == nil || gp == mp.g0 {
        return false
    }
    // 将 G 标记为抢占
    gp.preempt = true

    // 在栈扩张的时候会检测是否被抢占
    gp.stackguard0 = stackPreempt

    // 请求该 P 的异步抢占
    if preemptMSupported && debug.asyncpreemptoff == 0 {
        _p_.preempt = true
        preemptM(mp)
    } 
    return true
}

stw_preempt