聊一聊Go的协程信息和如何预防泄露

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聊一聊Go的协程信息和如何预防泄露

前言

协程在Go里面是一个常见的概念,伴随着Go程序的生命周期开始至结束。今天来细聊Go的协程泄露。
关于协程的底层概念,GMP模型等,之前在前面文章已经作过分析,感兴趣的同学可以看下之前的文章聊一聊操作系统线程调度与Go协程

(封面来自Go: Fan-out Pattern in Our ETL) png-link

泄露案例

关于协程泄露很多时候我们往往会忽略它,直到机器资源负载异常才引起重视。 之前排除生产环境异常的时候,曾经遇到过go程序内存泄露的场景,内存泄漏和协程泄露有很大关系,本质上都是资源不回收导致的。

这里列举一个典型的泄露案例:

func JumpForSignal() int {
    ch := make(chan int)
    go func() {
        ch <- bizMtx
    }()

    go func() {
        ch <- bizMtx
    }()

    go func() {
        ch <- bizMtx
    }()
    //一有输入立刻返回
    return <-ch
}

func main() {
    // ...
    JumpForSignal()
    // ...
}

事后分析这个demo可以得知,这个函数调用会阻塞两个子协程,预期只有一个协程会正常退出。

获取协程信息

既然存在协程泄露,我们在日常工作怎么避免或者发现它呢?下面我们列举几个思路。

遵守准则

由于Go是自带GC的语言,很多时候写代码不需要关心变量的资源释放,不像C程序员变量申请之后需要在结束处释放。但是Go的chan在使用时候是有一些准则的,当确定chan不再使用时候,可以在输出方进行close,避免其他协程还在等待该chan的输出。

协程数量

找到泄露的协程,第一个能够想到的是协程数量,当你的函数处理逻辑比较简单,除了主协程之外,预期协程应该都在结束前返回,可以在main函数结束处调用runtime包的函数:

// NumGoroutine returns the number of goroutines that currently exist.
func NumGoroutine() int {
    return int(gcount())
}

通过它可以返回当前协程总数量:

func Count()  {
    fmt.Printf("Number of goroutines:%d\n", runtime.NumGoroutine())
}

func main() {
    defer Count()
    Count()
    JumpForSignal()
}

输出:

Number of goroutines:1
Number of goroutines:3

协程函数栈

还有一种比较常见定位协程的形式,在Go里面,可以用于分析协程函数的上下文,常见的比如go自带的pprof也是通过这种方式获取,实际案例中,条件允许的情况可以开启pprof方便分析。

下面来看一个示例,我们在上面的例子加一个http端口监听,用于接入go自带的pprof分析工具。

随后在浏览器输入:

http://localhost:8899/debug/pprof/goroutine?debug=1

可以得到整个程序的协程列表:

goroutine profile: total 7
1 @ 0x165eb6 0x126465 0x126235 0x29341e 0x19de01
#	0x29341d	pixelgo/leak.JumpForSignal.func1+0x3d	F:/code/pixelGo/src/pix-demo/leak/leak.go:24

1 @ 0x165eb6 0x126465 0x126235 0x29347e 0x19de01
#	0x29347d	pixelgo/leak.JumpForSignal.func2+0x3d	F:/code/pixelGo/src/pix-demo/leak/leak.go:28

1 @ 0x165eb6 0x15bb3d 0x1975a5 0x228d05 0x229d8d 0x22c40d 0x321765 0x33437c 0x447c89 0x285239 0x285606 0x4493f3 0x450da8 0x19de01
#	0x1975a4	internal/poll.runtime_pollWait+0x64	D:/dev/go1.16/src/runtime/netpoll.go:227
#	0x228d04	internal/poll.(*pollDesc).wait+0xa4	D:/dev/go1.16/src/internal/poll/fd_poll_runtime.go:87
#	0x229d8c	internal/poll.execIO+0x2ac		D:/dev/go1.16/src/internal/poll/fd_windows.go:175
#	0x22c40c	internal/poll.(*FD).Read+0x56c		

// ...

结论是:当前程序一共有7个协程,可以看出分别有1个协程分配在F:/code/pixelGo/src/pix-demo/leak/leak.go:24F:/code/pixelGo/src/pix-demo/leak/leak.go:28,正是上文泄露的代码块。

有时候还可以多维度去分析,比如输入:

http://localhost:8899/debug/pprof/goroutine?debug=2

可以通过协程后面的标签,看到当前协程的不同状态,running/io wait/chan send

goroutine 9 [running]:
runtime/pprof.writeGoroutineStacks(0x7f7d00, 0xc0000aa000, 0x0, 0x0)
	D:/dev/go1.16/src/runtime/pprof/pprof.go:693 +0xc5
net/http/pprof.handler.ServeHTTP(0xc000094011, 0x9, 0x7fba40, 0xc0000aa000, 0xc000092000)
    //..

goroutine 1 [IO wait]:
internal/poll.runtime_pollWait(0x223debb10d8, 0x72, 0xc000152f48)
	D:/dev/go1.16/src/runtime/netpoll.go:227 +0x65
internal/poll.(*pollDesc).wait(0xc0001530b8, 0x72, 0x93b400, 0x0, 0x0)
    //...

goroutine 6 [chan send]:
pixelgo/rout.JumpForSignal.func1(0xc000053800)
	F:/code/pixelGo/src/pix-demo/rout/leak.go:25 +0x10e
created by pixelgo/rout.JumpForSignal
	F:/code/pixelGo/src/pix-demo/rout/leak.go:23 +0x71

goroutine 7 [chan send]:
pixelgo/rout.JumpForSignal.func2(0xc000053800)
	F:/code/pixelGo/src/pix-demo/rout/leak.go:30 +0x10e
created by pixelgo/rout.JumpForSignal
	F:/code/pixelGo/src/pix-demo/rout/leak.go:28 +0x93

协程id

接下来我们来探索协程标识:协程id,在Go中,每个运行的协程都会分配一个协程id,一个常见的方式是从函数运行栈获取,引用之前网上其他同学的写法:

func main() {
    fmt.Println(getGID())
}

func getGID() uint64 {
    b := make([]byte, 64)
    b = b[:runtime.Stack(b, false)]
    b = bytes.TrimPrefix(b, []byte("goroutine "))
    b = b[:bytes.IndexByte(b, ' ')]
    n, _ := strconv.ParseUint(string(b), 10, 64)
    return n
}

我们来看看runtime.stack() 会返回什么呢,其中真实内容是这样的:

goroutine 21 [running]:
leaktest.interestingGoroutines(0xdb9980, 0xc00038e018, 0x0, 0x0, 0x0)
	F:/code/pixelGo/src/leaktest/leaktest.go:81 +0xbf
leaktest.CheckContext(0xdbe398, 0xc000108040, 0xdb9980, 0xc00038e018, 0x0)
	F:/code/pixelGo/src/leaktest/leaktest.go:141 +0x6e
leaktest.CheckTimeout(0xdb9980, 0xc00038e018, 0x3b9aca00, 0x0)
	F:/code/pixelGo/src/leaktest/leaktest.go:127 +0xe5
leaktest.TestCheck.func8(0xc000384780)
	F:/code/pixelGo/src/leaktest/leaktest_test.go:122 +0xaf
testing.tRunner(0xc000384780, 0xc000100050)
	D:/dev/go1.16/src/testing/testing.go:1193 +0x1a3
created by testing.(*T).Run
	D:/dev/go1.16/src/testing/testing.go:1238 +0x63c

goroutine 1 [chan receive]:
testing.(*T).Run(0xc000037080, 0xd8486a, 0x9, 0xd9ebc8, 0x304bd824304bd800)
	D:/dev/go1.16/src/testing/testing.go:1239 +0x66a
testing.runTests.func1(0xc000036f00)
	D:/dev/go1.16/src/testing/testing.go:1511 +0xbd
testing.tRunner(0xc000036f00, 0xc00008fc00)
	D:/dev/go1.16/src/testing/testing.go:1193 +0x1a3
testing.runTests(0xc0000040d8, 0xf40460, 0x5, 0x5, 0x0, 0x0, 0x0, 0x21cbf1c0100)
	D:/dev/go1.16/src/testing/testing.go:1509 +0x448
testing.(*M).Run(0xc0000c0000, 0x0)
	D:/dev/go1.16/src/testing/testing.go:1417 +0x514
main.main()
	_testmain.go:51 +0xc8

可以发现这个栈和我们运行panic抛出的信息非常类似,需要注意的是,通过这种方式获取协程id并不是一个高效的方式。
实际生产使用过程并不提倡,值得一提的是,为了方便我们更好的定位问题上下文,有时候日志框架又需要我们打印出当前协程id。

比如这是一个生产案例日志输出:

// gid-1号协程用于初始化资源
[0224/162532.310:INFO:gid-1:yx_trace.go:66] cfg:&{ false false [] 0xc000295140 0xc0001d4e00 <nil> <nil> <nil>}
[0224/162532.320:INFO:gid-1:main.go:50] GameRoom Startup->
[0224/162532.320:INFO:gid-1:config_manager.go:107] configManager SetHttpListenAddr:8080
[0224/162532.320:INFO:gid-1:room_manager.go:57] roomManager Startup
[0224/162532.323:INFO:gid-1:room_manager.go:72] roomManager initPrx.
[0224/162532.330:INFO:gid-1:bootstrap.go:153] GameRoom START ok.
// gid-60号协程分配用于启动HTTP Server
[0224/162533.277:INFO:gid-60:expose.go:36] Start for HTTP server...
[0224/162533.277:INFO:gid-60:expose.go:39] register for debug server...

往往日志框架是力求对业务性能影响最低的,既然有性能顾虑,那么它是怎么获取协程id的呢?只能曲线救国了。
还有一个解法,其实在Go中,每个协程绑定的系统线程结构中,有一个g指针,拿到g指针的信息之后,根据g指针结构的偏移量(注意不同go版本可能不同),指定获取id。

汇编获取

通过协程绑定的g指针,这里参考《Go高级编程》的做法

// 记录各个版本的偏移量
var offsetDictMap = map[string]int64{
        "go1.12":    152,
        "go1.12.1":  152,
        "go1.12.2":  152,
        "go1.12.3":  152,
        "go1.12.4":  152,
        "go1.12.5":  152,
        "go1.12.6":  152,
        "go1.12.7":  152,
        "go1.13":    152,
        "go1.14":    152,
        "go1.16.12":    152,
}

// offset for go1.12
var goid_offset uintptr = 152
//go:nosplit
func getG() interface{}

func GoId() int64

// 部分汇编代码
// func getGptr() unsafe.Pointer
TEXT ·getGptr(SB), NOSPLIT, $0-8
    MOVQ (TLS), BX
    MOVQ BX, ret+0(FP)
    RET

TEXT ·GoId(SB),NOSPLIT,$0-8
    NO_LOCAL_POINTERS
    MOVQ ·goid_offset(SB),AX
    // get runtime.g
    MOVQ (TLS),BX
    ADDQ BX,AX
    MOVQ (AX),BX
    MOVQ BX,ret+0(FP)
    RET

性能比较:

我们来简单测试下两种获取go协程id方式性能差距:

// BenchmarkGRtId-8   	1000000000	         0.0005081 ns/op
func BenchmarkGRtId(b *testing.B) {
    for n := 0; n < 1000000000; n++ {
        // runtime获取协程id
        getGID()
    }
}

// BenchmarkGoId-8   	1000000000	         0.05731 ns/op
func BenchmarkGoId(b *testing.B) {
    for n := 0; n < 1000000000; n++ {
        // 汇编方式获取
        GoId()
    }
}

可以看到通过汇编方式获取协程id的方式性能更优,相差几个数量级。


限制协程

上面列举了几个定位协程信息的方法,那么在协程泄露之前有没有其他方式对程序的go协程进行管控呢,有个做法是使用强大的channel坐下限制。

抛砖引玉

这里先提供一个简单的思路,即再包装一层channel进行保护,

// 限制数量
var LIMIT_G_NUM = make(chan struct{}, 100)

// 需要自定义的处理逻辑
type HandleFun func()

func AsyncGoForHandle(fn HandleFun)  {
    // 计数加一
    LIMIT_G_NUM <- struct{}{}
    go func() {
        defer func() {
            if err := recover(); err != nil {
                log.Fatalf("AsyncGoForHandle recover from err: %v", err)
            }
            // 回收计数
            <-LIMIT_G_NUM
        }()

        // 处理逻辑
        fn()
    }()
}

上面的思路比较简单,相信大家能看懂,每次需要异步创建协程只要调用AsyncGoForHandle()函数即可,不足之处可能是处理逻辑HandleFun()不够通用,需要自己定义具体实现。

还有一种方式,就是引入协程池的概念,这里的池子和数据库连接池有点像,即一开始就预创建好,业务层只要负责提交数据,业界已经有不少成熟的封装。

成熟方案:tunny

之前看到社区有一个封装得比较完善的协程池tunny,代码行数不多,我们来试着拆解分析一下代码,项目地址:github.com/Jeffail/tun…

  1. 定义处理逻辑接口:
type Worker interface {
    // 自定义逻辑实现,开发者只需要关心入参和出参
    Process(interface{}) interface{}
}
  1. 包装worker的输入源workRequest
type workerWrapper struct {
    // 注入内部实现逻辑
    worker        Worker
    interruptChan chan struct{}

    // 请求来源workRequest
    reqChan chan<- workRequest

    // ...
}
  1. 输入源结构
type workRequest struct {
    // 输入
    jobChan chan<- interface{}

    // 处理结果,即worker.Process()的返回值
    retChan <-chan interface{}

    // ...
}
  1. 编写实现类:

我们知道Go的接口遵循鸭子模型: 只要它表现得像个鸭子,它就是鸭子

// Worker实现类
type closureWorker struct {
    processor func(interface{}) interface{}
}

func (w *closureWorker) Process(payload interface{}) interface{} {
    return w.processor(payload)
}
  1. 定义工作池结构
type Pool struct {
    queuedJobs int64

    // 成员函数,用于"鸭子"实体
    ctor    func() Worker
    workers []*workerWrapper
    reqChan chan workRequest

    workerMut sync.Mutex
}

func NewFunc(n int, f func(interface{}) interface{}) *Pool {
    return New(n, func() Worker {
        return &closureWorker{
            // 传入真正的实现模块
            processor: f,
        }
    })
}

func New(n int, ctor func() Worker) *Pool {
    p := &Pool{
        ctor:    ctor,
        reqChan: make(chan workRequest),
    }
    // 批量创建协程,监听处理来自reqChan的任务
    p.SetSize(n)

    return p
}

相关实体结构如下,配合源码阅读就比较清晰了。

实体模块

这个框架相当于把协程预先创建好做了池化,随后业务层只需要源源不断把"加工数据"输入到workRequest这个chan即可,也就是process()函数,process()模块会把数据输入到内部channel进行处理,池中的worker会进行加工。
这种工厂模式还是值得借鉴的,Go也有很多成熟框架使用了这种写法。

引用原项目README.md的用法示例:

numCPUs := runtime.NumCPU()

pool := tunny.NewFunc(numCPUs, func(payload interface{}) interface{} {
    var result []byte
    // 关心业务层的输入、输出即可
    result = wrapSomething()
    return result
})
defer pool.Close()

http.HandleFunc("/work", func(w http.ResponseWriter, r *http.Request) {
    input, err := ioutil.ReadAll(r.Body)
    if err != nil {
        http.Error(w, "Internal error", http.StatusInternalServerError)
    }
    defer r.Body.Close()

    // 提交任务给Process
    result := pool.Process(input)

    w.Write(result.([]byte))
})

http.ListenAndServe(":8080", nil)

总结

  • Go协程有几个内置信息,协程id、协程栈、协程状态(running/io wait/chan send),通过这些信息可以帮助我们一定程度的避免或者定位问题
  • Go里面创建协程只需要一个Go关键字,但是要合理回收却很关键,必要时可以用协程池做限制

参考链接

pprof介绍

协程泄露:

协程池:

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