Golang源码学习：调度逻辑main goroutine的创建

Posted 2020-12-05 flhs

接上一篇继续分析一下runtime.newproc方法。

函数签名

newproc函数的签名为 newproc(siz int32, fn *funcval)

siz是传入的参数大小(不是个数)；fn对应的是函数，但并不是函数指针，funcval.fn才是真正指向函数代码的指针。

// go/src/runtime/runtime2.go
type funcval struct {
	fn uintptr // 真正指向函数代码的指针
}

关键字go

在golang中编译器会把类似 go foo() 编译成调用 runtime.newproc 方法。

准备一段代码：

package main

import (
	"fmt"
	"time"
)

func main() {
	go printAdd(3, 7)
	time.Sleep(time.Second)
}

func printAdd(a, b int) {
	fmt.Println(a + b)
}

开始调试：

关于golang栈结构的分析可以参考 Golang源码学习：使用gdb调试探究Golang函数调用栈结构

root@xiamin:~/study# dlv debug test.go
Type ‘help‘ for list of commands.
(dlv) b main.main
Breakpoint 1 set at 0x4ada0f for main.main() ./test.go:8
(dlv) c
> main.main() ./test.go:8 (hits goroutine(1):1 total:1) (PC: 0x4ada0f)
     3:	import (
     4:		"fmt"
     5:		"time"
     6:	)
     7:
=>   8:	func main() {
     9:		go printAdd(3, 7)
    10:		time.Sleep(time.Second)
    11:	}
    12:
    13:	func printAdd(a, b int) {

// 这里执行几次si，得到下面。

(dlv) disass
TEXT main.main(SB) /root/study/test.go
	test.go:8		0x4ada00	64488b0c25f8ffffff	mov rcx, qword ptr fs:[0xfffffff8]
	test.go:8		0x4ada09	483b6110		cmp rsp, qword ptr [rcx+0x10]
	test.go:8		0x4ada0d	764f			jbe 0x4ada5e
	test.go:8		0x4ada0f*	4883ec28		sub rsp, 0x28
	test.go:8		0x4ada13	48896c2420		mov qword ptr [rsp+0x20], rbp
	test.go:8		0x4ada18	488d6c2420		lea rbp, ptr [rsp+0x20]

        // 在main的栈帧中设置newproc的参数siz，16字节
	test.go:9		0x4ada1d	c7042410000000		mov dword ptr [rsp], 0x10
        // 计算printAdd函数对应的funcval结构体的地址放入rax
	test.go:9		0x4ada24	488d057d5e0300		lea rax, ptr [rip+0x35e7d]
        // 在main的栈帧中设置newproc的参数fn
	test.go:9		0x4ada2b	4889442408		mov qword ptr [rsp+0x8], rax
        // printAdd的参数a
	test.go:9		0x4ada30	48c744241003000000	mov qword ptr [rsp+0x10], 0x3
        // printAdd的参数b
	test.go:9		0x4ada39	48c744241807000000	mov qword ptr [rsp+0x18], 0x7
        // 调用 runtime.newproc
=>	test.go:9		0x4ada42	e80902f9ff		call $runtime.newproc

	test.go:10		0x4ada47	48c7042400ca9a3b	mov qword ptr [rsp], 0x3b9aca00
	test.go:10		0x4ada4f	e86c4afaff		call $time.Sleep
	test.go:11		0x4ada54	488b6c2420		mov rbp, qword ptr [rsp+0x20]
	test.go:11		0x4ada59	4883c428		add rsp, 0x28
	test.go:11		0x4ada5d	c3			ret
	test.go:8		0x4ada5e	e88d47fbff		call $runtime.morestack_noctxt
	<autogenerated>:1	0x4ada63	eb9b			jmp $main.main

我们来验证一下fn参数：

(dlv) regs
    ......
    Rax = 0x00000000004e38a8	// 存储的是 printAdd 对应的 runtime.funcval 地址。
    ......
(dlv) p *(*runtime.funcval)(0x00000000004e38a8)
runtime.funcval {fn: 4905584}	// 4905584是十进制，转换成十六进制是 0x4ada70。
(dlv) p &printAdd
(*)(0x4ada70)			// 函数指针与上面的 funcval.fn 相符。

此段仅用来分析go关键字的实现。与下面的 main goroutine无直接关联。

main goroutine的创建

以下注释的场景均为初始化时。

runtime·rt0_go 中调用 runtime.newproc 相关代码：

TEXT runtime·rt0_go(SB),NOSPLIT,$0
        ......
        // 调用runtime·newproc创建goroutine，指向函数为runtime·main
	MOVQ	$runtime·mainPC(SB), AX	// runtime·mainPC就是runtime·main
	PUSHQ	AX			// newproc的第二个参数fn，也就是goroutine要执行的函数。
	PUSHQ	$0			// newproc的第一个参数siz，表示要传入runtime·main中参数的大小，此处为0。
	// 创建 main goroutine。非main goroutine也是此方法创建。
	CALL	runtime·newproc(SB)	
	POPQ	AX
	POPQ	AX
        ......
DATA	runtime·mainPC+0(SB)/8,$runtime·main(SB)
GLOBL	runtime·mainPC(SB),RODATA,$8

runtime.newproc

func newproc(siz int32, fn *funcval) {
        // 获取fn函数的参数起始地址，可参考上例中的printAdd，sys.PtrSize的值是8。
	argp := add(unsafe.Pointer(&fn), sys.PtrSize)	
        // 获取一个g（m0.g0）
	gp := getg()
        // 调用者的pc，也就是执行完此函数返回调用者时的下一条指令地址，本例中是 POPQ AX
	pc := getcallerpc()	
	systemstack(func() {
		newproc1(fn, argp, siz, gp, pc)
	})
}

runtime.newproc1

func newproc1(fn *funcval, argp unsafe.Pointer, narg int32, callergp *g, callerpc uintptr) {
	_g_ := getg()	// 当前g。g0
        ......
	acquirem() // 禁止抢占
	siz := narg
	siz = (siz + 7) &^ 7	// 使siz为8的整数倍。&^为双目运算符，将运算符左边数据相异的保留，相同位清零。
        ......
	_p_ := _g_.m.p.ptr()	// 当前关联的p。allp[0]
	newg := gfget(_p_)	// 获取一个g，下有分析。
	if newg == nil {
		newg = malg(_StackMin)			// 分配一个新g
		casgstatus(newg, _Gidle, _Gdead)	// 更改状态
		allgadd(newg)				// 加入到allgs切片中
	}
	......
        // 调整newg的栈顶指针
	totalSize := 4*sys.RegSize + uintptr(siz) + sys.MinFrameSize // extra space in case of reads slightly beyond frame
	totalSize += -totalSize & (sys.SpAlign - 1)                  // align to spAlign
	sp := newg.stack.hi - totalSize
	spArg := sp
	......
	if narg > 0 {
		memmove(unsafe.Pointer(spArg), argp, uintptr(narg)) // 将参数从调用newproc的函数栈帧中copy到新的g栈帧中。
                ......
	}

        // newg.sched存储的是调度相关的信息，调度器要将这些信息装载到cpu中才能运行goroutine。
	memclrNoHeapPointers(unsafe.Pointer(&newg.sched), unsafe.Sizeof(newg.sched))	// 将newg.sched结构体清零
	newg.sched.sp = sp	// 栈顶
	newg.stktopsp = sp
        // 此处只是暂时借用pc属性存储 runtime.goexit + 1 位置的地址。在gostartcallfn会用到。
	newg.sched.pc = funcPC(goexit) + sys.PCQuantum	// +PCQuantum so that previous instruction is in same function
	newg.sched.g = guintptr(unsafe.Pointer(newg))	// 存储newg指针
	gostartcallfn(&newg.sched, fn)			// 将函数与g关联起来。下有分析。
	......
	casgstatus(newg, _Gdead, _Grunnable)		// 更改状态
	......
	runqput(_p_, newg, true)			// 存储到运行队列中。

         // 初始化时不会执行，mainStarted 在 runtime.main 中设置为 true
	if atomic.Load(&sched.npidle) != 0 && atomic.Load(&sched.nmspinning) == 0 && mainStarted {
		wakep()
	}
	releasem(_g_.m)
}

总结一下初始化时newproc1做的工作：

• 调用gfget获取newg，如果为nil，调用malg分配一个，然后加入到全局变量allgs中。
• 从调用newproc的函数栈帧中copy参数到newg栈帧中。
• 设置newg.sched属性，调用gostartcallfn，将newg和函数关联。
• 更改状态为_Grunnable，存储到p.runq中（p.runq长度是256，满了会被拿出一些放在sched.runq中）。

概括讲就是：获取g->复制参数->设置调度属性->放入队列等调度。

下面来分析以下gfget、gostartcallfn。

runtime.gfget

整体逻辑为：在p.gFree为空，sched.gFree中不空时，从后者向前者最多转移32个。然后从前者的头部返回一个。如果没有分配栈帧，就分配。

func gfget(_p_ *p) *g {
retry:
        // 如果p.gFree为空，但sched.gFree中不为空，则从其中最多获取32个
	if _p_.gFree.empty() && (!sched.gFree.stack.empty() || !sched.gFree.noStack.empty()) {
		lock(&sched.gFree.lock)
		// Move a batch of free Gs to the P.
		for _p_.gFree.n < 32 {
			// Prefer Gs with stacks.
			gp := sched.gFree.stack.pop()
			if gp == nil {
				gp = sched.gFree.noStack.pop()
				if gp == nil {
					break
				}
			}
			sched.gFree.n--
			_p_.gFree.push(gp)
			_p_.gFree.n++
		}
		unlock(&sched.gFree.lock)
		goto retry
	}
	gp := _p_.gFree.pop()	// 从列表头部获取一个g
	if gp == nil {
		return nil
	}
	_p_.gFree.n--
	if gp.stack.lo == 0 {	// 没有栈就分配栈
		// Stack was deallocated in gfput. Allocate a new one.
		systemstack(func() {
			gp.stack = stackalloc(_FixedStack)
		})
		gp.stackguard0 = gp.stack.lo + _StackGuard
	} else {
		......
	}
	return gp
}

runtime.gostartcallfn

func gostartcallfn(gobuf *gobuf, fv *funcval) {
	var fn unsafe.Pointer
        // fn是真正指向函数的指针
	if fv != nil {
		fn = unsafe.Pointer(fv.fn)
	} else {
		fn = unsafe.Pointer(funcPC(nilfunc))
	}
	gostartcall(gobuf, fn, unsafe.Pointer(fv))
}

runtime.gostartcall

gostartcall主要做了两件事：

• 将 fn 伪造成是被 goexit 调用的
• 将 buf.pc 赋值为真正的函数指针

func gostartcall(buf *gobuf, fn, ctxt unsafe.Pointer) {
	sp := buf.sp
	if sys.RegSize > sys.PtrSize {
		sp -= sys.PtrSize
		*(*uintptr)(unsafe.Pointer(sp)) = 0
	}
	sp -= sys.PtrSize	// 为返回地址预留空间
        // buf.pc 存储的是 funcPC(goexit) + sys.PCQuantum 
        // 将其存储到返回地址是为了伪造成 fn 是被 goexit 调用的，在 fn 执行完后返回 goexit执行，做一些清理工作。
	*(*uintptr)(unsafe.Pointer(sp)) = buf.pc
	buf.sp = sp		// 重新赋值
	buf.pc = uintptr(fn)	// 赋值为函数指针
	buf.ctxt = ctxt
}