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本文基于go1.19
前言
关于GMP模型网上已经有很多文章,讲的内容大多都是如下图的逻辑,本系列我们就不再赘述。本系列我们换个视角,核心是搞清楚两个问题:
- GMP到底是什么?
- goroutine如何恢复和保存上下文的?
正文开始。
GMP
只是结构体
GMP
并不是你想象的那么神奇的存在,其实就是普通的结构体,如同你写业务代码定义的结构体一样,如下:
// Goroutine
// 代码位置:go1.19/src/runtime/proc.go
type g struct {
stack stack
//...略...
gopc uintptr
startpc uintptr
sched struct {
sp uintptr
pc uintptr
//...略...
bp uintptr
}
//...略...
}
// Machine
// 代码位置:go1.19/src/runtime/proc.go
type m struct {
g0 *g
//...略...
curg *g
p puintptr
nextp puintptr
//...略...
mOS
}
// Processor
// 代码位置:go1.19/src/runtime/proc.go
type p struct {
id int32
//...略...
m muintptr
mcache *mcache
//...略...
runqhead uint32
runqtail uint32
runq [256]guintptr
runnext guintptr
//...略...
gFree struct {
gList
n int32
}
//...略...
mspancache struct {
len int
buf [128]*mspan
}
//...略...
gcw gcWork
}
GMP
是系统线程运行的代码片段
GMP
和你写的业务代码一样,都是由系统线程运行。
GMP
是类似面相对象思想的封装
类型 | 结构体含义 | 结构体职责 |
---|---|---|
G | Goroutine,代表协程 | 1. 封装可被并发执行的函数片段,比如 go func() {// 函数A}() |
G | - | 2. 暂存函数片段(协程)切换时的上下文信息 |
G | - | 3. 封装g的栈内存空间,暂存函数片段(协程)执行时的临时变量的 |
M | Machine,和系统线程建立映射,结构体绑定一个系统线程 | 1. 绑定真正执行代码的系统线程,系统线程执行G 的调度,和被调度的G 绑定的函数 |
M | - | 2. 维护P 链表(可以从下一个P 的队列找G ) |
P | Processor,和逻辑处理器建立映射 | 1. 维护可执行G 的队列(M 从该队列找可执行的G ); |
P | - | 2. 堆内存缓存层(mcache ) |
P | - | 3. 维护g的闲置队列 |
G
职责解析
接下来,展开关于G
展开两个关键问题:
G
和函数绑定过程G
切换上下文过程
G
和函数绑定过程
当你使用go
关键字执行一个函数时go func(){}()
:
G
和func
具体绑定在哪?G
和func
何时绑定?
// `go`关键字示例
func main() {
// 使用go 关键并发执行一个函数
go func() {
fmt.Println("demo")
}()
}
G
和func
具体绑定在哪?
位于g的结构体 g.startpc
属性,详细如下:
// Goroutine
// 代码位置:go1.19/src/runtime/proc.go
type g struct {
//...略...
gopc uintptr // go关键字创建Goroutine的代码位置
//...略...
startpc uintptr // Goroutine绑定的函数代码地址
//...略...
}
G
和func
何时绑定?
- 当通过go关键字运行一个函数时
- 从g的闲置队列获取一个g,并通过
g.startpc
属性绑定上待执行的函数fn
// 当你用go关键字执行一个函数
// 通过这个函数 绑定 g 和 待被执行的函数fn
func newproc(fn *funcval) {
gp := getg()
// 获取使用go关键字调用fn的代码位置
// 方便fn执行完成之后跳回原代码位置
pc := getcallerpc()
systemstack(func() {
// 绑定过程在这个函数中
// 下面进一步分析newproc1
newg := newproc1(fn, gp, pc)
_p_ := getg().m.p.ptr()
// 放入本地队列
// 等待调度
runqput(_p_, newg, true)
if mainStarted {
wakep()
}
})
}
// 绑定过程在这个函数中 分析newproc1
func newproc1(fn *funcval, callergp *g, callerpc uintptr) *g {
//...略...
newg := gfget(_p_) // 从g的闲置队列获取一个g
//...略...
newg.gopc = callerpc // 重点:设置go关键字的位置,便于fn执行完毕跳回原代码位置
newg.startpc = fn.fn // 重点:这里绑定待被执行的函数fn
//...略...
return newg
}
函数绑定过程如下:
G
切换上下文过程
goroutine
的上下文信息具体保存在哪?goroutine
的上下文如何切换?
goroutine
的上下文信息具体保存在哪?
位于g的结构体 g.sched
属性,详细如下:
// Goroutine
// 代码位置:go1.19/src/runtime/proc.go
type g struct {
stack stack // 协程栈 执行过程临时变量存放的地方
sched gobuf // Goroutine上下文信息 保存在这个结构
//...略...
}
// Goroutine上下文信息
type gobuf struct {
sp uintptr // 栈指针:指向栈顶
pc uintptr // 代码(指令)执行位置的地址
//...略...
bp uintptr // 基指针:指向栈基
}
goroutine
的上下文如何切换?
- g恢复上下文过程
- g保存上下文过程
g恢复上下文过程:
触发调度时:
- 找到可执行的g(来源本地队列、全局队列、netpoll list 读或写就绪的g列表)
- 把g的上下文
g.sched
通过汇编代码中的函数gogo
恢复到对应的寄存器中
// g的调度方法
func schedule() {
//...略...
// 找可执行的g (本地队列、全局队列、netpoll list 读或写就绪的g列表 等)
gp, inheritTime, tryWakeP := findRunnable()
//...略...
//在这里 继续往下看
execute(gp, inheritTime)
}
func execute(gp *g, inheritTime bool) {
//...略...
// 关键就是通过gogo这个函数 恢复
gogo(&gp.sched)
}
gogo函数汇编代码,arm64架构示例汇编代码如下:
// void gogo(Gobuf*)
// restore state from Gobuf; longjmp
TEXT runtime·gogo(SB), NOSPLIT|NOFRAME, $0-8
MOVD buf+0(FP), R5
MOVD gobuf_g(R5), R6
MOVD 0(R6), R4
B gogo<>(SB)
TEXT gogo<>(SB), NOSPLIT|NOFRAME, $0
MOVD R6, g
BL runtime·save_g(SB)
MOVD gobuf_sp(R5), R0 // 恢复栈指针
MOVD R0, RSP
MOVD gobuf_bp(R5), R29 // 恢复基指针
MOVD gobuf_lr(R5), LR
MOVD gobuf_ret(R5), R0
MOVD gobuf_ctxt(R5), R26
MOVD $0, gobuf_sp(R5)
MOVD $0, gobuf_bp(R5)
MOVD $0, gobuf_ret(R5)
MOVD $0, gobuf_lr(R5)
MOVD $0, gobuf_ctxt(R5)
CMP ZR, ZR
MOVD gobuf_pc(R5), R6 // 恢复PC计数器 指向下一个待执行的指令
B (R6)
g保存上下文过程:
其中两个关键函数如下
func save(pc, sp uintptr)
触发保存上下文func mcall(fn func(*g))
触发保存上下文
save函数
func save(pc, sp uintptr) {
_g_ := getg()
//...略...
_g_.sched.pc = pc // 保存代码执行位置
_g_.sched.sp = sp // 保存栈指针
//...略...
}
调用func save(pc, sp uintptr)
的场景如下:
- 进入系统调用时
// 进入系统调用
func entersyscall() {
reentersyscall(getcallerpc(), getcallersp())
}
func reentersyscall(pc, sp uintptr) {
_g_ := getg()
//...略...
// 保存上下文
save(pc, sp)
_g_.syscallsp = sp
_g_.syscallpc = pc
casgstatus(_g_, _Grunning, _Gsyscall)
//...略...
}
mcall函数
func mcall(fn func(*g))
执行过程中,从g切换到g0,并执行fn。fn内部会执行调度函数shedule(),触发新的调度,下面会举一个例子。
TEXT runtime·mcall<ABIInternal>(SB), NOSPLIT|NOFRAME, $0-8
MOVD R0, R26
MOVD RSP, R0
MOVD R0, (g_sched+gobuf_sp)(g) // 保存当前g的栈指针
MOVD R29, (g_sched+gobuf_bp)(g) // 保存当前g的基指针
MOVD LR, (g_sched+gobuf_pc)(g)// 保存当前g的下一个待执行指令的位置 PC计数器
MOVD $0, (g_sched+gobuf_lr)(g)
// 切换到g0,并执行函数fn
MOVD g, R3
MOVD g_m(g), R8
MOVD m_g0(R8), g
BL runtime·save_g(SB)
CMP g, R3
BNE 2(PC)
B runtime·badmcall(SB)
MOVD (g_sched+gobuf_sp)(g), R0
MOVD R0, RSP
MOVD (g_sched+gobuf_bp)(g), R29
MOVD R3, R0
MOVD $0, -16(RSP)
SUB $16, RSP
MOVD 0(R26), R4
BL (R4)
B runtime·badmcall2(SB)
调用func mcall(fn func(*g))
的场景如下:
Gosched()
:触发协作&抢占式式调度时gopark
:g从运行状态转换为等待状态时goexit1()
goroutine执行完成时exitsyscall()
退出系统调用时- 等
详细展开,Gosched()
:触发协作&抢占式式调度时看看,如下
// 触发调度
func Gosched() {
checkTimeouts()
mcall(gosched_m)
}
func gosched_m(gp *g) {
//...略...
goschedImpl(gp)
}
func goschedImpl(gp *g) {
//...略...
// 正在运行状态转变为 可运行状态
casgstatus(gp, _Grunning, _Grunnable)
dropg()
lock(&sched.lock)
globrunqput(gp) // 放入全局队列
unlock(&sched.lock)
// 触发调度
schedule()
}
func schedule() {
//...略...
// 找到下一个可执行的g
gp, inheritTime, tryWakeP := findRunnable()
//...略...
// 执行下一个g
execute(gp, inheritTime)
}
func execute(gp *g, inheritTime bool) {
//...略...
// 恢复上下文
gogo(&gp.sched)
}
// gogo汇编代码(arm64架构)
TEXT gogo<>(SB), NOSPLIT|NOFRAME, $0
//...略...
MOVD gobuf_sp(R5), R0 // 恢复栈指针
MOVD gobuf_bp(R5), R29 // 恢复基指针
//...略...
- park_m 把g从运行状态转换为等待状态时
func gopark(unlockf func(*g, unsafe.Pointer) bool, lock unsafe.Pointer, reason waitReason, traceEv byte, traceskip int) {
//...略...
mcall(park_m)
}
func park_m(gp *g) {
//...略...
casgstatus(gp, _Grunning, _Gwaiting)
dropg()
//...略...
// 触发调度
schedule()
}
//...略...
// 同上`Gosched()`
goexit1()
goroutine执行完成时
func goexit1() {
//...略...
mcall(goexit0)
}
// goexit continuation on g0.
func goexit0(gp *g) {
//...略...
// 触发调度
schedule()
}
//...略...
// 同上`Gosched()`
exitsyscall()
退出系统调用时
func exitsyscall() {
//...略...
mcall(exitsyscall0)
//...略...
}
func exitsyscall0(gp *g) {
casgstatus(gp, _Gsyscall, _Grunnable)
dropg()
//...略...
stopm()
// 触发调度
schedule()
}
/...略...
// 同上`Gosched()`
具体如下图:
总结下g的完整切换过程:
- 当前g保存上下文(save/mcall)
- 当前g切换到g0,g0执行
schedule
调度,找到新的可执行的g - 新的g恢复上下文(gogo)
- 最后,实际以上操作都是有系统线程运行的
M
职责解析
- 绑定真正执行代码的系统线程
- 系统线程执行
G
的调度 - 系统线程执行被调度的
G
绑定的函数 - 维护
P
链表(可以从下一个P
的队列找G
)
// Machine
// 代码位置:go1.19/src/runtime/proc.go
type m struct {
g0 *g
//...略...
curg *g // 当前执行的g
p puintptr // m绑定的p
nextp puintptr // 4. 维护`P`链表(可以从下一个`P`的队列找`G`)
//...略...
// 1. 绑定真正执行代码的系统线程
// 2. 执行`G`的调度
// 3. 执行被调度的`G`绑定的函数
mOS
//...略...
}
P
职责解析
- 维护可执行
G
的队列(M
从该队列找可执行的G
); - 堆内存缓存层(
mcache
) - 维护g的闲置队列
// Processor
// 代码位置:go1.19/src/runtime/proc.go
type p struct {
id int32
//...略...
m muintptr
mcache *mcache // 堆内存缓存层(`mcache`)
//...略...
runqhead uint32 // 1. 维护可执行`G`的队列(`M`从该队列找可执行的`G`);
runqtail uint32 // 1. 维护可执行`G`的队列(`M`从该队列找可执行的`G`);
runq [256]guintptr // 1. 维护可执行`G`的队列(`M`从该队列找可执行的`G`);
runnext guintptr // 1. 维护可执行`G`的队列(`M`从该队列找可执行的`G`);
//...略...
// 3. 维护g的闲置队列
gFree struct {
gList
n int32
}
//...略...
mspancache struct {
len int
buf [128]*mspan
}
//...略...
gcw gcWork
}
总结
再来回头看开篇的两个问题?
- GMP到底是什么?
- goroutine如何恢复和保存上下文的?
是不是已经很清晰。
- 关于问题一,GMP是三个各司其职的结构体,被系统线程运行。
类型 | 结构体含义 | 结构体职责 |
---|---|---|
G | Goroutine,代表协程 | 1. 封装可被并发执行的函数片段,比如 go func() {// 函数A}() |
G | - | 2. 暂存函数片段(协程)切换时的上下文信息 |
G | - | 3. 封装g的栈内存空间,暂存函数片段(协程)执行时的临时变量的 |
M | Machine,和系统线程建立映射,结构体绑定一个系统线程 | 1. 绑定真正执行代码的系统线程,系统线程执行G 的调度,和被调度的G 绑定的函数 |
M | - | 2. 维护P 链表(可以从下一个P 的队列找G ) |
P | Processor,和逻辑处理器建立映射 | 1. 维护可执行G 的队列(M 从该队列找可执行的G ); |
P | - | 2. 堆内存缓存层(mcache ) |
P | - | 3. 维护g的闲置队列 |
-
关于问题二,goroutine恢复和保存上下文过程:
- 当前g保存上下文(save/mcall)
- 当前g切换到g0,g0执行
schedule
调度,找到新的可执行的g - 新的g恢复上下文(gogo)
具体如下图所示:
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