Golang调度器(5)—协作与抢占

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2023年04月05日 11:39 · 阅读数 38

0. 简介

在上篇博客——《Golang调度器(4)—goroutine调度》中一直遗留了一个没有解答的问题：如果某个G执行时间过长，其他的G如何才能被正常调度，这就引出了接下来的话题：协作与抢占。

在Go语言的v1.2版本就实现饿了基于协作的抢占式调用，这种调用的基本原理就是：

当sysmon监控线程发现有协程的执行时间太长了，那么会友好地为这个协程设置抢占标记；
当这个协程调用（call）一个函数时，会检查是否扩容栈，而这里就会检查抢占标记，如果被标记，则会让出CPU，从而实现调度。

但是这种调度方式是协程主动的，是基于协作的，但是他无法面对一些场景，比如在死循环中没有任何调用发生，那么这个协程将永远执行下去，永远不会发生调度，这显然是不可接受的。

于是，在v1.14版本，Go终于引入了基于信号的抢占式调度，下面，我们将介绍一下这两种抢占调度。

1. 用户主动让出CPU：`runtime.Gosched`函数

在介绍两种抢占调度之前，我们首先介绍一下runtime.Gosched函数：

// Gosched yields the processor, allowing other goroutines to run. It does not
// suspend the current goroutine, so execution resumes automatically.
func Gosched() {
   checkTimeouts()
   mcall(gosched_m)
}

根据说明，runtime.Gosched函数会主动放弃当前处理器，并且允许其他协程执行，但是起并不会暂停自己，而只是让渡调度权，之后依赖调度器获得重新调度。

之后，会通过mcall函数切换到g0栈去执行gosched_m函数：

// Gosched continuation on g0.
func gosched_m(gp *g) {
   if trace.enabled {
      traceGoSched()
   }
   goschedImpl(gp)
}

gosched_m调用goschedImpl函数，其会为协程gp让渡出本M，并且将gp放到全局队列中，等待调度。

func goschedImpl(gp *g) {
   status := readgstatus(gp)
   if status&^_Gscan != _Grunning {
      dumpgstatus(gp)
      throw("bad g status")
   }
   casgstatus(gp, _Grunning, _Grunnable)
   dropg()            // 使当前m放弃gp，就是其参数 curg
   lock(&sched.lock)
   globrunqput(gp)    // 并且把gp放到全局队列中，等待调度
   unlock(&sched.lock)

   schedule()
}

虽然runtime.Gosched具有主动放弃CPU的能力，但是对用户的要求比较高，并非用户友好的。

2. 基于协作的抢占式调度

2.1 场景

package main

import (
   "fmt"
   "runtime"
   "sync"
   "time"
)

var once = sync.Once{}

func f() {
   once.Do(func() {
      fmt.Println("I am go routine 1!")
   })
}

func main() {
   defer runtime.GOMAXPROCS(runtime.GOMAXPROCS(1))

   go func() {
      for {
         f()
      }
   }()

   time.Sleep(10 * time.Millisecond)
   fmt.Println("I am main goroutine!")
}

我们考虑如上代码，首先我们设置P的个数为1，然后起一个协程中进入死循环，循环调用一个函数，如果没有抢占调度，那么这个协程将一直占据P，也就是会一直占据CPU，代码就永远不可能执行到fmt.Println("I am main goroutine!")这行。下面我们看看，协作式抢占是怎么避免以上问题的。

2.2 栈扩张与抢占标记

$ go tool compile -N -l main.go
$ go tool objdump main.o >> main.i

我们通过以上指令，得到2.1中代码的汇编代码，截取f函数的汇编代码如下：

TEXT "".f(SB) gofile../home/chenyiguo/smb_share/go_routine_test/main.go
  main.go:12      0x151a       493b6610      CMPQ 0x10(R14), SP 
  main.go:12      0x151e       762b         JBE 0x154b    
  main.go:12      0x1520       4883ec18      SUBQ $0x18, SP    
  main.go:12      0x1524       48896c2410    MOVQ BP, 0x10(SP)  
  main.go:12      0x1529       488d6c2410    LEAQ 0x10(SP), BP  
  main.go:13      0x152e       488d0500000000    LEAQ 0(IP), AX    [3:7]R_PCREL:"".once      
  main.go:13      0x1535       488d1d00000000    LEAQ 0(IP), BX    [3:7]R_PCREL:"".f.func1·f  
  main.go:13      0x153c       e800000000    CALL 0x1541       [1:5]R_CALL:sync.(*Once).Do    
  main.go:16      0x1541       488b6c2410    MOVQ 0x10(SP), BP  
  main.go:16      0x1546       4883c418      ADDQ $0x18, SP    
  main.go:16      0x154a       c3       RET          
  main.go:12      0x154b       e800000000    CALL 0x1550       [1:5]R_CALL:runtime.morestack_noctxt   
  main.go:12      0x1550       ebc8         JMP "".f(SB)

其中第一行，CMPQ 0x10(R14), SP就是比较SP和0x10(R14)（其实就是stackguard0）的大小（注意AT&T格式下CMP系列指令的顺序），当SP小于等于0x10(R14)时，就会调转到0x154b地址调用runtime.morestack_noctxt，触发栈扩张操作。其实如果你仔细观察就会发现，所有的函数的序言（函数调用的最前方）都被插入了检测指令，除非在函数上标记//go:nosplit。

接下来，我们将关注于两点来打通整个链路，即：

栈扩张怎么重新调度，让出CPU的执行权？
何时会设置栈扩张标记？

2.3 栈扩张怎么触发重新调度

// morestack but not preserving ctxt.
TEXT runtime·morestack_noctxt(SB),NOSPLIT,$0
   MOVL   $0, DX
   JMP    runtime·morestack(SB)

TEXT runtime·morestack(SB),NOSPLIT,$0-0
   ...

   // Set g->sched to context in f.
   MOVQ   0(SP), AX // f's PC
   MOVQ   AX, (g_sched+gobuf_pc)(SI)
   LEAQ   8(SP), AX // f's SP
   MOVQ   AX, (g_sched+gobuf_sp)(SI)
   MOVQ   BP, (g_sched+gobuf_bp)(SI)
   MOVQ   DX, (g_sched+gobuf_ctxt)(SI)

   ...
   CALL   runtime·newstack(SB)
   CALL   runtime·abort(SB)  // crash if newstack returns
   RET

以上代码中，runtime·morestack_noctxt调用runtime·morestack，在runtime·morestack中，会首先记录协程的PC和SP，然后调用runtime.newstack：

func newstack() {
   ...

   gp := thisg.m.curg
   
   ...
   stackguard0 := atomic.Loaduintptr(&gp.stackguard0)

   ...
   preempt := stackguard0 == stackPreempt
   ...

   if preempt {
      if gp == thisg.m.g0 {
         throw("runtime: preempt g0")
      }
      if thisg.m.p == 0 && thisg.m.locks == 0 {
         throw("runtime: g is running but p is not")
      }

      if gp.preemptShrink {
         // We're at a synchronous safe point now, so
         // do the pending stack shrink.
         gp.preemptShrink = false
         shrinkstack(gp)
      }

      if gp.preemptStop {
         preemptPark(gp) // never returns
      }

      // Act like goroutine called runtime.Gosched.
      gopreempt_m(gp) // never return
   }

   ...
}

我们简化runtime.newstack函数，总结起来就是通过现有工作协程的stackguard0字段，来判断是不是应该发生抢占，如果需要的话，则调用gopreempt_m(gp)函数：

func gopreempt_m(gp *g) {
   if trace.enabled {
      traceGoPreempt()
   }
   goschedImpl(gp)
}

可以看到，gopreempt_m函数和前面讲到Gosched函数时说到的gosched_m函数一样，都将调用goschedImpl函数，为协程gp让渡出本M，并且将gp放到全局队列中，等待调度。

这里我们就明白了，一旦发生栈扩张，就有可能会发生让渡出执行权，进行重新调度的可能性，那什么时候会发生栈扩张呢？

2.4 何时设置栈扩张标记

在代码中，将stackguard0字段置为stackPreempt的地方有不少，但是和我们以上场景相符的还是在后台监护线程sysmon循环中，对于陷入系统调用和长时间运行的goroutine的运行权进行夺取的retake函数：

func sysmon() {
   ...

   for {
      ...
      // retake P's blocked in syscalls
      // and preempt long running G's
      if retake(now) != 0 {
         idle = 0
      } else {
         idle++
      }
      ...
   }
}

func retake(now int64) uint32 {
   ...
   for i := 0; i < len(allp); i++ {
      ...
      s := _p_.status
      sysretake := false
      if s == _Prunning || s == _Psyscall {
         // Preempt G if it's running for too long.
         t := int64(_p_.schedtick)
         if int64(pd.schedtick) != t {
            pd.schedtick = uint32(t)
            pd.schedwhen = now
         } else if pd.schedwhen+forcePreemptNS <= now { // forcePreemptNS=10ms
            preemptone(_p_) // 在这里设置栈扩张标记
            // In case of syscall, preemptone() doesn't
            // work, because there is no M wired to P.
            sysretake = true
         }
      }
      ...
   }
   unlock(&allpLock)
   return uint32(n)
}

其中，在preemptone函数中进行栈扩张标记的设置：

func preemptone(_p_ *p) bool {
   mp := _p_.m.ptr()
   if mp == nil || mp == getg().m {
      return false
   }
   gp := mp.curg
   if gp == nil || gp == mp.g0 {
      return false
   }

   gp.preempt = true

   // Every call in a goroutine checks for stack overflow by
   // comparing the current stack pointer to gp->stackguard0.
   // Setting gp->stackguard0 to StackPreempt folds
   // preemption into the normal stack overflow check.
   gp.stackguard0 = stackPreempt // 设置栈扩张标记

   // Request an async preemption of this P.
   if preemptMSupported && debug.asyncpreemptoff == 0 {
      _p_.preempt = true
      preemptM(mp)
   }

   return true
}

通过以上，我们串通起了goroutine协作式抢占的逻辑：

首先，后台监控线程会对运行时间过长（≥10ms）的协程设置栈扩张标记；
协程运行到任何一个函数的序言的时候，都会首先检查栈扩张标记；
如果需要进行栈扩张，在进行栈扩张的时候，会夺取这个协程的运行权，从而实现抢占式调度。

3. 基于信号的抢占式调度

分析以上结论我们可以知道，上述抢占触发逻辑有一个致命的缺点，那就是必须要运行到函数栈的序言部分，而这根本无法读取以下协程的运行权，在Go的1.14版本之前，一下代码不会打印最后一句"I am main goroutine!"：

package main

import (
   "fmt"
   "runtime"
   "sync"
   "time"
)

var once = sync.Once{}

func main() {
   defer runtime.GOMAXPROCS(runtime.GOMAXPROCS(1))

   go func() {
      for {
         once.Do(func() {
            fmt.Println("I am go routine 1!")
         })
      }
   }()

   time.Sleep(10 * time.Millisecond)
   fmt.Println("I am main goroutine!")
}

因为以上协程中的for循环是个死循环，且并不会包含栈扩张逻辑，所以不会让渡出自身的执行权。

3.1 发送抢占信号

为此，Go SDK引入了基于信号的抢占式调度。我们注意分析上一节preemptone函数代码中有以下部分：

if preemptMSupported && debug.asyncpreemptoff == 0 {
   _p_.preempt = true
   preemptM(mp)
}

其中preemptM函数会发送_SIGURG信号给需要抢占的线程：

const sigPreempt = _SIGURG


func preemptM(mp *m) {
   // On Darwin, don't try to preempt threads during exec.
   // Issue #41702.
   if GOOS == "darwin" || GOOS == "ios" {
      execLock.rlock()
   }

   if atomic.Cas(&mp.signalPending, 0, 1) {
      if GOOS == "darwin" || GOOS == "ios" {
         atomic.Xadd(&pendingPreemptSignals, 1)
      }

      // If multiple threads are preempting the same M, it may send many
      // signals to the same M such that it hardly make progress, causing
      // live-lock problem. Apparently this could happen on darwin. See
      // issue #37741.
      // Only send a signal if there isn't already one pending.
      signalM(mp, sigPreempt)
   }

   if GOOS == "darwin" || GOOS == "ios" {
      execLock.runlock()
   }
}

3.2 抢占调用的注入

说到这里，我们就需要回到最开始，在第一个协程m0开启mstart的调用链路上，会调用mstartm0函数，在这里会调用initsig：

func initsig(preinit bool) {
  ...

   for i := uint32(0); i < _NSIG; i++ {
      ...

      handlingSig[i] = 1
      setsig(i, abi.FuncPCABIInternal(sighandler))
   }
}

在以上，注册了sighandler函数：

func sighandler(sig uint32, info *siginfo, ctxt unsafe.Pointer, gp *g) {
   ...

   if sig == sigPreempt && debug.asyncpreemptoff == 0 {
      // Might be a preemption signal.
      doSigPreempt(gp, c)
      // Even if this was definitely a preemption signal, it
      // may have been coalesced with another signal, so we
      // still let it through to the application.
   }

   ...
}

然后接收到sigPreempt信号时，会通过doSigPreempt函数处理如下：

func doSigPreempt(gp *g, ctxt *sigctxt) {
   // Check if this G wants to be preempted and is safe to
   // preempt.
   if wantAsyncPreempt(gp) {
      if ok, newpc := isAsyncSafePoint(gp, ctxt.sigpc(), ctxt.sigsp(), ctxt.siglr()); ok {
         // Adjust the PC and inject a call to asyncPreempt.
         ctxt.pushCall(abi.FuncPCABI0(asyncPreempt), newpc) // 插入抢占调用
      }
   }

   // Acknowledge the preemption.
   atomic.Xadd(&gp.m.preemptGen, 1)
   atomic.Store(&gp.m.signalPending, 0)

   if GOOS == "darwin" || GOOS == "ios" {
      atomic.Xadd(&pendingPreemptSignals, -1)
   }
}

最终，doSigPreempt—>asyncPreempt->asyncPreempt2：

func asyncPreempt2() {
   gp := getg()
   gp.asyncSafePoint = true
   if gp.preemptStop {
      mcall(preemptPark)
   } else {
      mcall(gopreempt_m)
   }
   gp.asyncSafePoint = false
}

然后，又回到了我们熟悉的gopreempt_m函数，这里就不赘述了。

所以对于基于信号的抢占调度，总结如下：

M1发送信号_SIGURG；
M2接收到信号，并通过信号处理函数进行处理；
M2修改执行的上下文，并恢复到修改后的位置；
重新进入调度循环，进而调度其他goroutine。

4. 小结

总的来说，Go的调度策略的发展，也是随着需求的丰富而逐步发展的，协作式调度能够保证具备函数调用的用户 Goroutine 正常停止；抢占式调度则能避免由于死循环导致的任意时间的垃圾回收延迟。

5. 参考文献

6.8 协作与抢占

转载自:https://juejin.cn/post/7217810344696954936