Go语言调度器之主动调度(20)

Posted 2020-08-17 爱写程序的阿波张

本文是《Go语言调度器源代码情景分析》系列的第20篇，也是第五章《主动调度》的第1小节。

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Goroutine的主动调度是指当前正在运行的goroutine通过直接调用runtime.Gosched()函数暂时放弃运行而发生的调度。

主动调度完全是用户代码自己控制的，我们根据代码就可以预见什么地方一定会发生调度。比如下面的程序，在main goroutine中创建了一个新的我们称之为g2的goroutine去执行start函数，g2在start函数的循环中反复调用Gosched()函数放弃自己的执行权，主动把CPU让给调度器去执行调度。

package main

import (
    "runtime"
    "sync"
)

const N = 1

func main() {
    var wg sync.WaitGroup
 
    wg.Add(N)
    for i := 0; i < N; i++ {
        go start(&wg)
    }

    wg.Wait()
}

func start(wg *sync.WaitGroup) {
    for i := 0; i < 1000 * 1000 * 1000; i++ {
        runtime.Gosched()
    }

    wg.Done()
}

下面我们就从这个程序开始分析主动调度是如何实现的。

首先从主动调度的入口函数Gosched()开始分析。

runtime/proc.go : 262

// Gosched yields the processor, allowing other goroutines to run. It does not
// suspend the current goroutine, so execution resumes automatically.
func Gosched() {
    checkTimeouts() //amd64 linux平台空函数
   
    //切换到当前m的g0栈执行gosched_m函数
    mcall(gosched_m)
    //再次被调度起来则从这里开始继续运行
}

因为我们需要关注程序运行起来之后g2 goroutine的状态，所以这里用gdb配合源代码一起来进行调试和分析，首先使用b proc.go:266在Gosched函数的mcall(gosched_m)这一行设置一个断点，然后运行程序，等程序被断下来之后，反汇编一下程序当前正在执行的函数

(gdb) disass
Dump of assembler code for function main.start:
     0x000000000044fc90 <+0>:mov   %fs:0xfffffffffffffff8,%rcx
     0x000000000044fc99 <+9>:cmp   0x10(%rcx),%rsp
     0x000000000044fc9d <+13>:jbe   0x44fcfa <main.start+106>
     0x000000000044fc9f <+15>:sub   $0x20,%rsp
     0x000000000044fca3 <+19>:mov   %rbp,0x18(%rsp)
     0x000000000044fca8 <+24>:lea   0x18(%rsp),%rbp
     0x000000000044fcad <+29>:xor   %eax,%eax
     0x000000000044fcaf <+31>:jmp   0x44fcd0 <main.start+64>
     0x000000000044fcb1 <+33>:mov   %rax,0x10(%rsp)
     0x000000000044fcb6 <+38>:nop
     0x000000000044fcb7 <+39>:nop
=> 0x000000000044fcb8 <+40>:lea   0x241e1(%rip),%rax        # 0x473ea0
     0x000000000044fcbf <+47>:mov   %rax,(%rsp)
     0x000000000044fcc3 <+51>:callq 0x447380 <runtime.mcall>
     0x000000000044fcc8 <+56>:mov   0x10(%rsp),%rax
     0x000000000044fccd <+61>:inc   %rax
     0x000000000044fcd0 <+64>:cmp   $0x3b9aca00,%rax
     0x000000000044fcd6 <+70>:jl     0x44fcb1 <main.start+33>
     0x000000000044fcd8 <+72>:nop
    0x000000000044fcd9 <+73>:mov   0x28(%rsp),%rax
     0x000000000044fcde <+78>:mov   %rax,(%rsp)
     0x000000000044fce2 <+82>:movq   $0xffffffffffffffff,0x8(%rsp)
     0x000000000044fceb <+91>:callq 0x44f8f0 <sync.(*WaitGroup).Add>
     0x000000000044fcf0 <+96>:mov   0x18(%rsp),%rbp
     0x000000000044fcf5 <+101>:add   $0x20,%rsp
     0x000000000044fcf9 <+105>:retq  
     0x000000000044fcfa <+106>:callq 0x447550 <runtime.morestack_noctxt>
     0x000000000044fcff <+111>:jmp   0x44fc90 <main.start>

可以看到当前正在执行的函数是main.start而不是runtime.Gosched，在整个start函数中都找不到Gosched函数的身影，原来它被编译器优化了。程序现在停在了0x000000000044fcb8 <+40>: lea 0x241e1(%rip),%rax 这一指令处，该指令下面的第二条callq指令在调用runtime.mcall，我们首先使用si 2来执行2条汇编指令让程序停在下面这条指令处：

=> 0x000000000044fcc3 <+51>: callq 0x447380 <runtime.mcall>

然后使用i r rsp rbp rip记录一下CPU的rsp、rbp和rip寄存器的值备用：

(gdb) i r rsprbprip
rsp   0xc000031fb0     0xc000031fb0
rbp   0xc000031fc8     0xc000031fc8
rip    0x44fcc3             0x44fcc3 <main.start+51>

继续看0x000000000044fcc3位置的callq指令，它首先会把紧挨其后的下一条指令的地址0x000000000044fcc8放入g2的栈，然后跳转到mcall函数的第一条指令开始执行。回忆一下第二章我们详细分析过的mcall函数的执行流程，结合现在这个场景，mcall将依次完成下面几件事：

1. 把上面call指令压栈的返回地址0x000000000044fcc8取出来保存在g2的sched.pc字段，把上面我们查看到的rsp(0xc000031fb0)和rbp(0xc000031fc8)分别保存在g2的sched.sp和sched.bp字段，这几个寄存器代表了g2的调度现场信息；

2. 把保存在g0的sched.sp和sched.bp字段中的值分别恢复到CPU的rsp和rbp寄存器，这样完成从g2的栈到g0的栈的切换；

3. 在g0栈执行gosched_m函数（gosched_m函数是runtime.Gosched函数调用mcall时传递给mcall的参数）。

继续看gosched_m函数

runtime/proc.go : 2623

// Gosched continuation on g0.
func gosched_m(gp *g) {
    if trace.enabled { //traceback 不关注
        traceGoSched()
    }
    goschedImpl(gp)  //我们这个场景：gp = g2
}

gosched_m函数只是简单的在调用goschedImpl：

runtime/proc.go : 2608

func goschedImpl(gp *g) {
    ......
    casgstatus(gp, _Grunning, _Grunnable)
    dropg() //设置当前m.curg = nil, gp.m = nil
    lock(&sched.lock)
    globrunqput(gp) //把gp放入sched的全局运行队列runq
    unlock(&sched.lock)

    schedule() //进入新一轮调度
}

goschedImpl函数有一个g指针类型的形参，我们这个场景传递给它的实参是g2，goschedImpl函数首先把g2的状态从_Grunning设置为_Grunnable，并通过dropg函数解除当前工作线程m和g2之间的关系（把m.curg设置成nil，把g2.m设置成nil），然后通过调用我们已经分析过的globrunqput函数把g2放入全局运行队列之中。

g2被挂入全局运行队列之后，g2以及其它一些相关部分的状态和关系如下图所示：

从上图我们可以清晰的看到，g2被挂在了sched的全局运行队列里面，该队列有一个head头指针指向队列中的第一个g对象，还有一个tail尾指针指向队列中的最后一个g对象，队列中各个g对象通过g的schedlink指针成员相互链接起在一起；g2的sched结构体成员中保存了调度所需的所有现场信息（比如栈寄存器sp和bp的值，pc指令寄存器的值等等），这样当g2下次被schedule函数调度时，gogo函数会负责把这些信息恢复到CPU的rsp, rbp和rip寄存器中，从而使g2又得以从0x44fcc8地址处开始在g2的栈中执行g2的代码。

把g2挂入全局运行队列之后，goschedImpl函数继续调用schedule()进入下一轮调度循环，至此g2通过自己主动调用Gosched()函数自愿放弃了执行权，达到了调度的目的。