GoLang之M如何找工作(13)

GoLang之M如何找工作(13)

schedule 函数中，我们简单提过找一个 runnable goroutine 的过程，这一讲我们来详细分析源码。

工作线程 M 费尽心机也要找到一个可运行的 goroutine，这是它的工作和职责，不达目的，绝不罢体，这种锲而不舍的精神值得每个人学习。

共经历三个过程：先从本地队列找，定期会从全局队列找，最后实在没办法，就去别的 P 偷。如下图所示：

先看第一个：从 P 本地队列找。源码如下：

// 从本地可运行队列里找到一个 g
// 如果 inheritTime 为真，gp 应该继承这个时间片，否则，新开启一个时间片
func runqget(_p_ *p) (gp *g, inheritTime bool) {
	// If there's a runnext, it's the next G to run.
	// 如果 runnext 不为空，则 runnext 是下一个待运行的 G
	for {
		next := _p_.runnext
		if next == 0 {
			// 为空，则直接跳出循环
			break
		}
		// 再次比较 next 是否没有变化
		if _p_.runnext.cas(next, 0) {
			// 如果没有变化，则返回 next 所指向的 g。且需要继承时间片
			return next.ptr(), true
		}
	}

	for {
		// 获取队列头
		h := atomic.Load(&_p_.runqhead) // load-acquire, synchronize with other consumers
		// 获取队列尾
		t := _p_.runqtail
		if t == h {
			// 头和尾相等，说明本地队列为空，找不到 g
			return nil, false
		}
		// 获取队列头的 g
		gp := _p_.runq[h%uint32(len(_p_.runq))].ptr()
		// 原子操作，防止这中间被其他线程因为偷工作而修改
		if atomic.Cas(&_p_.runqhead, h, h+1) { // cas-release, commits consume
			return gp, false
		}
	}
}

整个源码结构比较简单，主要是两个 for 循环。

第一个 for 循环尝试返回 P 的 runnext 成员，因为 runnext 具有最高的运行优先级，因此要首先尝试获取 runnext。当发现 runnext 为空时，直接跳出循环，进入第二个。否则，用原子操作获取 runnext，并将其值修改为 0，也就是空。这里用到原子操作的原因是防止在这个过程中，有其他线程过来“偷工作”，导致并发修改 runnext 成员。

第二个 for 循环则是在尝试获取 runnext 成员失败后，尝试从本地队列中返回队列头的 goroutine。同样，先用原子操作获取队列头，使用原子操作的原因同样是防止其他线程“偷工作”时并发对队列头的并发写操作。之后，直接获取队列尾，因为不担心其他线程同时更改，所以直接获取。注意，“偷工作”时只会修改队列头。

比较队列头和队列尾，如果两者相等，说明 P 本地队列没有可运行的 goroutine，直接返回空。否则，算出队列头指向的 goroutine，再用一个 CAS 原子操作来尝试修改队列头，使用原子操作的原因同上。

globrunqget

// 为了公平，每调用 schedule 函数 61 次就要从全局可运行 goroutine 队列中获取
if _g_.m.p.ptr().schedtick%61 == 0 && sched.runqsize > 0 {
	lock(&sched.lock)
	// 从全局队列最大获取 1 个 goroutine
	gp = globrunqget(_g_.m.p.ptr(), 1)
	unlock(&sched.lock)
}

globrunqget

globrunqget

// 尝试从全局队列里获取可运行的 goroutine 队列
func globrunqget(_p_ *p, max int32) *g {
	// 如果队列大小为 0
	if sched.runqsize == 0 {
		return nil
	}

	// 根据 p 的数量平分全局运行队列中的 goroutines
	n := sched.runqsize/gomaxprocs + 1
	if n > sched.runqsize {
		n = sched.runqsize // 如果 gomaxprocs 为 1
	}

	// 修正"偷"的数量
	if max > 0 && n > max {
		n = max
	}
	// 最多只能"偷"本地工作队列一半的数量
	if n > int32(len(_p_.runq))/2 {
		n = int32(len(_p_.runq)) / 2
	}

	// 更新全局可运行队列长度
	sched.runqsize -= n
	// 如果都要被"偷"走，修改队列尾
	if sched.runqsize == 0 {
		sched.runqtail = 0
	}

	// 获取队列头指向的 goroutine
	gp := sched.runqhead.ptr()
	// 移动队列头
	sched.runqhead = gp.schedlink
	n--
	for ; n > 0; n-- {
		// 获取当前队列头
		gp1 := sched.runqhead.ptr()
		// 移动队列头
		sched.runqhead = gp1.schedlink
		// 尝试将 gp1 放入 P 本地，使全局队列得到更多的执行机会
		runqput(_p_, gp1, false)
	}
	// 返回最开始获取到的队列头所指向的 goroutine
	return gp
}

代码比较简单。首先根据全局队列的可运行 goroutine 长度和 P 的总数，来计算一个数值，表示每个 P 可平均分到的 goroutine 数量。

然后根据函数参数中的 max 以及 P 本地队列的长度来决定把多少全局队列中的 goroutine 转移到 P 本地。

最后，for 循环挨个把全局队列中 n-1 个 goroutine 转移到本地，并且返回最开始获取到的队列头所指向的 goroutine，毕竟它最需要得到运行的机会。

把全局队列中的可运行 goroutine 转移到本地队列，给了全局队列中可运行 goroutine 运行的机会，不然全局队列中的 goroutine 一直得不到运行。

最后，我们继续看第三个过程，从其他 P “偷工作”：

// 从本地运行队列和全局运行队列都没有找到需要运行的 goroutine，
// 调用 findrunnable 函数从其它工作线程的运行队列中偷取，如果偷不到，则当前工作线程进入睡眠
// 直到获取到 runnable goroutine 之后 findrunnable 函数才会返回。
if gp == nil {
	gp, inheritTime = findrunnable() // blocks until work is available
}

这是整个找工作过程最复杂的部分：

// 从其他地方找 goroutine 来执行
func findrunnable() (gp *g, inheritTime bool) {
    _g_ := getg()

top:
    _p_ := _g_.m.p.ptr()

    // ……………………

    // local runq
    // 从本地队列获取
    if gp, inheritTime := runqget(_p_); gp != nil {
        return gp, inheritTime
    }

    // global runq
    // 从全局队列获取
    if sched.runqsize != 0 {
        lock(&sched.lock)
        gp := globrunqget(_p_, 0)
        unlock(&sched.lock)
        if gp != nil {
            return gp, false
        }
    }

    // ……………………

    // Steal work from other P's.

    // 如果其他的 P 都处于空闲状态，那肯定没有其他工作要做
    procs := uint32(gomaxprocs)
    if atomic.Load(&sched.npidle) == procs-1 {
        goto stop
    }

    // 如果有很多工作线程在找工作，那我就停下休息。避免消耗太多 CPU
    if !_g_.m.spinning && 2*atomic.Load(&sched.nmspinning) >= procs-atomic.Load(&sched.npidle) {
        goto stop
    }

    if !_g_.m.spinning {
        // 设置自旋状态为 true
        _g_.m.spinning = true
        // 自旋状态数加 1
        atomic.Xadd(&sched.nmspinning, 1)
    }
    // 从其它 p 的本地运行队列盗取 goroutine
    for i := 0; i < 4; i++ {
        for enum := stealOrder.start(fastrand()); !enum.done(); enum.next() {
            // ……………………
            stealRunNextG := i > 2 // first look for ready queues with more than 1 g
            if gp := runqsteal(_p_, allp[enum.position()], stealRunNextG); gp != nil {
                return gp, false
            }
        }
    }

stop:

    // ……………………

    // return P and block
    lock(&sched.lock)
    if sched.gcwaiting != 0 || _p_.runSafePointFn != 0 {
        unlock(&sched.lock)
        goto top
    }
    if sched.runqsize != 0 {
        gp := globrunqget(_p_, 0)
        unlock(&sched.lock)
        return gp, false
    }
    // 当前工作线程解除与 p 之间的绑定，准备去休眠
    if releasep() != _p_ {
        throw("findrunnable: wrong p")
    }
    // 把 p 放入空闲队列
    pidleput(_p_)
    unlock(&sched.lock)

    wasSpinning := _g_.m.spinning
    if _g_.m.spinning {
        // m 即将睡眠，不再处于自旋
        _g_.m.spinning = false
        if int32(atomic.Xadd(&sched.nmspinning, -1)) < 0 {
            throw("findrunnable: negative nmspinning")
        }
    }

    // check all runqueues once again
    // 休眠之前再检查一下所有的 p，看一下是否有工作要做
    for i := 0; i < int(gomaxprocs); i++ {
        _p_ := allp[i]
        if _p_ != nil && !runqempty(_p_) {
            lock(&sched.lock)
            _p_ = pidleget()
            unlock(&sched.lock)
            if _p_ != nil {
                acquirep(_p_)
                if wasSpinning {
                    _g_.m.spinning = true
                    atomic.Xadd(&sched.nmspinning, 1)
                }
                goto top
            }
            break
        }
    }

    // ……………………

    // 休眠
    stopm()
    goto top
}

这部分也是最能说明 M 找工作的锲而不舍精神：尽力去各个运行队列中寻找 goroutine，如果实在找不到则进入睡眠状态，等待有工作时，被其他 M 唤醒。

_p_

_p_

不过，在偷之前，先看大的局势。如果其他所有的 P 都处于空闲状态，就说明其他 P 肯定没有工作可做，就没必要再去偷了，毕竟“地主家也没有余粮了”，跳到 stop 部分。接着再看下当前正在“偷工作”的线程数量“太多了”，就没必要扎堆了，这么多人，竞争肯定大，工作肯定不好找，也不好偷。

在真正的“偷”工作之前，把自己的自旋状态设置为 true，全局自旋数量加 1。

终于到了“偷工作”的部分了，好紧张！整个过程由两层 for 循环组成，外层控制尝试偷的次数，内层控制“偷”的顺序，并真正的去“偷”。实际上，内层会遍历所有的 P，因此，整体看来，会尝试 4 次扫遍所有的 P，并去“偷工作”，是不是非常有毅力！

第二层的循环并不是每次都按一个固定的顺序去遍历所有的 P，这样不太科学，而是使用了一些方法，“随机”地遍历。具体是使用了下面这个变量：

var stealOrder randomOrder

type randomOrder struct {
	count    uint32
	coprimes []uint32
}

初始化的时候会给 count 赋一个值，例如 8，根据 count 计算出 coprimes，里面的元素是小于 count 的值，且和 8 互质，算出来是：[1, 3, 5, 7]。

第二层循环，开始随机给一个值，例如 2，则第一个访问的 P 就是 P2；从 coprimes 里取出索引为 2 的值为 5，那么，第二个访问的 P 索引就是 2+5=7；依此类推，第三个就是 7+5=12，和 count 做一个取余操作，即 12%8=4……

stealRunNextG

stealRunNextG := i > 2

allp[enum.position()runqsteal(_p_, allp[enum.position()], stealRunNextG)

// 从 p2 偷走一半的工作放到 _p_ 的本地
func runqsteal(_p_, p2 *p, stealRunNextG bool) *g {
    // 队尾
    t := _p_.runqtail
    // 从 p2 偷取工作，放到 _p_.runq 的队尾
    n := runqgrab(p2, &_p_.runq, t, stealRunNextG)
    if n == 0 {
        return nil
    }
    n--
    // 找到最后一个 g，准备返回
    gp := _p_.runq[(t+n)%uint32(len(_p_.runq))].ptr()
    if n == 0 {
        // 说明只偷了一个 g
        return gp
    }
    // 队列头
    h := atomic.Load(&_p_.runqhead) // load-acquire, synchronize with consumers
    // 判断是否偷太多了
    if t-h+n >= uint32(len(_p_.runq)) {
        throw("runqsteal: runq overflow")
    }
    // 更新队尾，将偷来的工作加入队列
    atomic.Store(&_p_.runqtail, t+n) // store-release, makes the item available for consumption
    return gp
}

runqgrab_p_

n := runqgrab(p2, &_p_.runq, t, stealRunNextG)

runqgrab_p_.runqt_p_.runq_p_.runq

接着往下看，返回的 n 表示偷到的工作数量。先将 n 自减 1，目的是把第 n 个工作（也就是 g）直接返回，如果这时候 n 变成 0 了，说明就只偷到了一个 g，那就直接返回。否则，将队尾往后移动 n，把偷来的工作合法化，简直完美！

runqgrab

// 从 _p_ 批量获取可运行 goroutine，放到 batch 数组里
// batch 是一个环，起始于 batchHead
// 返回偷的数量，返回的 goroutine 可被任何 P 执行
func runqgrab(_p_ *p, batch *[256]guintptr, batchHead uint32, stealRunNextG bool) uint32 {
    for {
        // 队列头
        h := atomic.Load(&_p_.runqhead) // load-acquire, synchronize with other consumers
        // 队列尾
        t := atomic.Load(&_p_.runqtail) // load-acquire, synchronize with the producer
        // g 的数量
        n := t - h
        // 取一半
        n = n - n/2
        if n == 0 {
            if stealRunNextG {
                // 连 runnext 都要偷，没有人性
                // Try to steal from _p_.runnext.
                if next := _p_.runnext; next != 0 {
                    // 这里是为了防止 _p_ 执行当前 g，并且马上就要阻塞，所以会马上执行 runnext，
                    // 这个时候偷就没必要了，因为让 g 在 P 之间"游走"不太划算，
                    // 就不偷了，给他们一个机会。
                    // channel 一次同步的的接收发送需要 50ns 左右，因此 3us 差不多给了他们 50 次机会了，做得还是不错的
                    if GOOS != "windows" {
                        usleep(3)
                    } else {
                        osyield()
                    }
                    if !_p_.runnext.cas(next, 0) {
                        continue
                    }
                    // 真的偷走了 next
                    batch[batchHead%uint32(len(batch))] = next
                    // 返回偷的数量，只有 1 个
                    return 1
                }
            }
            // 没偷到
            return 0
        }
        // 如果 n 这时变得太大了，重新来一遍了，不能偷的太多，做得太过分了
        if n > uint32(len(_p_.runq)/2) { // read inconsistent h and t
            continue
        }
        // 将 g 放置到 bacth 中
        for i := uint32(0); i < n; i++ {
            g := _p_.runq[(h+i)%uint32(len(_p_.runq))]
            batch[(batchHead+i)%uint32(len(batch))] = g
        }
        // 工作被偷走了，更新一下队列头指针
        if atomic.Cas(&_p_.runqhead, h, h+n) { // cas-release, commits consume
            return n
        }
    }
}

stealRunNextG

channel

继续看，再次判断 n 是否小于等于 p.runq 长度的一半，因为这个时候很可能 p 也被其他线程偷了，它的 p.runq 就没那么多工作了，这个时候就不能偷这么多了，要重新再走一次循环。

最后一个 for 循环，将 p.runq 里的 g 放到 batch 数组里。使用原子操作更新 p 的队列头指针，往后移动 n 个位置，这些都是被偷走的，伤心！

findrunnablestop

先上锁，因为要将 P 放到全局空闲 P 链表里去。在这之前还不死心，再瞧一下全局队列里是否有工作，如果有，再去尝试偷全局。如果没有，就先解除当前工作线程和当前 P 的绑定关系：

// 解除 p 与 m 的关联
func releasep() *p {
	_g_ := getg()

	// ……………………

	_p_ := _g_.m.p.ptr()
	
	// ……………………

	// 清空一些字段
	_g_.m.p = 0
	_g_.m.mcache = nil
	_p_.m = 0
	_p_.status = _Pidle
	return _p_
}

_Pidle

这之后，将其放入全局空闲 P 列表：

// 将 p 放到 _Pidle 列表里
//go:nowritebarrierrec
func pidleput(_p_ *p) {
	if !runqempty(_p_) {
		throw("pidleput: P has non-empty run queue")
	}
	_p_.link = sched.pidle
	sched.pidle.set(_p_)
	// 增加全局空闲 P 的数量
	atomic.Xadd(&sched.npidle, 1) // TODO: fast atomic
}

构造链表的过程其实比较简单，先将 p.link 指向原来的 sched.pidle 所指向的 p，也就是原空闲链表的最后一个 P，最后，再更新 sched.pidle，使其指向当前 p，这样，新的链表就构造完成。

接下来就要真正地准备休眠了，但是仍然不死心！还要再查看一次所有的 P 是否有工作，如果发现任何一个 P 有工作的话（判断 P 的本地队列不空），就先从全局空闲 P 链表里先拿到一个 P：

// 试图从 _Pidle 列表里获取 p
//go:nowritebarrierrec
func pidleget() *p {
	_p_ := sched.pidle.ptr()
	if _p_ != nil {
		sched.pidle = _p_.link
		atomic.Xadd(&sched.npidle, -1) // TODO: fast atomic
	}
	return _p_
}

acquirep(_p_)_Prunning

// 休眠，停止执行工作，直到有新的工作需要做为止
func stopm() {
	// 当前 goroutine，g0
	_g_ := getg()

	// ……………………
retry:
	lock(&sched.lock)
	// 将 m 放到全局空闲链表里去
	mput(_g_.m)
	unlock(&sched.lock)
	// 进入睡眠状态
	notesleep(&_g_.m.park)
	// 这里被其他工作线程唤醒
	noteclear(&_g_.m.park)

	// ……………………

	acquirep(_g_.m.nextp.ptr())
	_g_.m.nextp = 0
}

notesleep(&_g_.m.park)noteclear(&_g_.m.park)&_g_.m.park

type note struct {
	key uintptr
}

很简单，只有一个 key 字段。

note 的底层实现机制跟操作系统相关，不同系统使用不同的机制，比如 linux 下使用的 futex 系统调用，而 mac 下则是使用的 pthread_cond_t 条件变量，note 对这些底层机制做了一个抽象和封装。

这种封装给扩展性带来了很大的好处，比如当睡眠和唤醒功能需要支持新平台时，只需要在 note 层增加对特定平台的支持即可，不需要修改上层的任何代码。

上面这一段来自阿波张的系列教程。我们接着来看下 notesleep 的实现：

// runtime/lock_futex.go
func notesleep(n *note) {
	// g0
	gp := getg()
	if gp != gp.m.g0 {
		throw("notesleep not on g0")
	}
	// -1 表示无限期休眠
	ns := int64(-1)

	// ……………………
	
	// 这里之所以需要用一个循环，是因为 futexsleep 有可能意外从睡眠中返回，
	// 所以 futexsleep 函数返回后还需要检查 note.key 是否还是 0，
	// 如果是 0 则表示并不是其它工作线程唤醒了我们，
	// 只是 futexsleep 意外返回了，需要再次调用 futexsleep 进入睡眠
	for atomic.Load(key32(&n.key)) == 0 {
		// 表示 m 被阻塞
		gp.m.blocked = true
		futexsleep(key32(&n.key), 0, ns)

		// ……………………

		// 被唤醒，更新标志
		gp.m.blocked = false
	}
}

继续往下追：

// runtime/os_linux.go
func futexsleep(addr *uint32, val uint32, ns int64) {
	var ts timespec

	if ns < 0 {
		futex(unsafe.Pointer(addr), _FUTEX_WAIT, val, nil, nil, 0)
		return
	}

	// ……………………
}

futex

TEXT runtime·futex(SB),NOSPLIT,$0
    // 为系统调用准备参数
	MOVQ	addr+0(FP), DI
	MOVL	op+8(FP), SI
	MOVL	val+12(FP), DX
	MOVQ	ts+16(FP), R10
	MOVQ	addr2+24(FP), R8
	MOVL	val3+32(FP), R9
	// 系统调用编号
	MOVL	$202, AX
	// 执行 futex 系统调用进入休眠，被唤醒后接着执行下一条 MOVL 指令
	SYSCALL
	// 保存系统调用的返回值
	MOVL	AX, ret+40(FP)
	RET

findrunnable

这就是 m 找工作的整个过程，历尽千辛万苦，终于修成正果。

参考资料: