Golang并发编程之调度器初始化详解

0. 简介

上一篇博客简单介绍了GMP模型，这一篇我们介绍一下Go调度器的初始化过程，也就是在main.main函数运行之前所做的事情。

1. 一些全局变量

在proc.go和runtime.go中有一些很重要的全局的变量，我们将其先列出来：

var (
   m0 m // 代表第一个起来的线程，即主线程
   g0 g // m0的g0，即 m0.g0 = &g0
   
   allgs   []*g    // 保存所有的g
   allglen uintptr // 所有g的长度
   
   
   allm       *m     // 保存所有的m
   gomaxprocs int32  // p的最大个数，默认等于 ncpu
   ncpu       int32  // 程序启动时，会调用osinit函数获得此值
   sched      schedt // 调度器的结构体对象，全局仅此一份
)

程序初始化时，这些全局变量最开始都会被初始化为空值，然后随着一些初始化函数的作用，这些变量才会开始被赋值。

2. main函数之前

package main

import "fmt"

func main() {
	fmt.Println("hello world")
}

在项目根目录下执行go build -gcflags "-N -l" -o main main.go，-gcflags "-N -l"是为了关闭编译器的优化和函数内联。然后我们使用gdb调试代码：

$ gdb main

GNU gdb (Ubuntu 8.1.1-0ubuntu1) 8.1.1

...

(gdb) info files

Symbols from "/home/chenyiguo/smb_share/go_routine_test/main".

Local exec file:

`/home/chenyiguo/smb_share/go_routine_test/main', file type elf64-x86-64.

Entry point: 0x45c220

0x0000000000401000 - 0x000000000047e357 is .text

0x000000000047f000 - 0x00000000004b3ecc is .rodata

0x00000000004b4060 - 0x00000000004b4538 is .typelink

0x00000000004b4540 - 0x00000000004b4598 is .itablink

0x00000000004b4598 - 0x00000000004b4598 is .gosymtab

0x00000000004b45a0 - 0x000000000050ce10 is .gopclntab

0x000000000050d000 - 0x000000000050d020 is .go.buildinfo

0x000000000050d020 - 0x000000000051d600 is .noptrdata

0x000000000051d600 - 0x0000000000524e10 is .data

0x0000000000524e20 - 0x0000000000553d28 is .bss

0x0000000000553d40 - 0x00000000005590a0 is .noptrbss

0x0000000000400f9c - 0x0000000000401000 is .note.go.buildid

可以看到，程序入口地址是0x45c220，继续打断点b *0x45c220进入，可以看到，程序代码的入口就在/usr/local/go/src/runtime/rt0_linux_amd64.s的第8行。

(gdb) b *0x45c220

Breakpoint 1 at 0x45c220: file /usr/local/go/src/runtime/rt0_linux_amd64.s, line 8.

进入代码位置，可以看到，其第8行是调到_rt0_amd64(SB)函数运行。

TEXT _rt0_amd64_linux(SB),NOSPLIT,$-8

JMP _rt0_amd64(SB)

再全局搜索_rt0_amd64，可以发现，在asm_amd64.s中有如下代码，最终会执行到runtime·rt0_go(SB)代码，在asm_amd64.s中，我们可以找到runtime·rt0_go代码的实现，这也是汇编语言。

TEXT _rt0_amd64(SB),NOSPLIT,$-8

MOVQ 0(SP), DI // argc

LEAQ 8(SP), SI // argv

JMP runtime·rt0_go(SB)

而rt0_go函数会完成Go程序启动的所有初始化工作，这个函数比较长，也比较复杂，我们可以分段来看:

TEXT runtime·rt0_go(SB),NOSPLIT|TOPFRAME,$0

// copy arguments forward on an even stack

MOVQ DI, AX // argc

MOVQ SI, BX // argv

SUBQ $(5*8), SP // 3args 2auto

ANDQ $~15, SP

MOVQ AX, 24(SP)

MOVQ BX, 32(SP)

以上一段我们不用深究，第四条指令调整栈（内核主线程栈）顶指针16字节对齐，然后存储了argc和argv数组地址。

2.1 初始化g0

注意，此处提及的g0是全局变量g0，即主线程m0的m0.g0。

// create istack out of the given (operating system) stack.
// _cgo_init may update stackguard.
MOVQ   $runtime·g0(SB), DI        // g0的地址存放在DI寄存器
LEAQ   (-64*1024+104)(SP), BX     // BX=SP-64*1024+104
MOVQ   BX, g_stackguard0(DI)      // g0.stackguard0=SP-64*1024+104
MOVQ   BX, g_stackguard1(DI)      // g0.stackguard1=SP-64*1024+104
MOVQ   BX, (g_stack+stack_lo)(DI) // g0.stack.lo=SP-64*1024+104
MOVQ   SP, (g_stack+stack_hi)(DI) // g0.stack.hi=SP

从以上代码可以看出，系统为主线程m0的g0在系统线程的栈空间开辟了一个大约有64KB大小的栈，地址范围是SP-64*1024+104 ~ SP。完成以上指令后，系统栈与g0的关系大致如图所示：

2.2 主线程与m0的绑定

LEAQ runtime·m0+m_tls(SB), DI // DI=&m0.tls

CALL runtime·settls(SB) // 调用settls函数设置本地线程存储

// store through it, to make sure it works

get_tls(BX)

MOVQ $0x123, g(BX)

MOVQ runtime·m0+m_tls(SB), AX

CMPQ AX, $0x123

JEQ 2(PC)

CALL runtime·abort(SB)

前面两段代码，前两条指令通过runtime·settls来设置本地线程存储，后面一段是验证设置是否成功。下面我们看下runtime·settls到底做了什么。

// set tls base to DI

TEXT runtime·settls(SB),NOSPLIT,$32

#ifdef GOOS_android

// Android stores the TLS offset in runtime·tls_g.

SUBQ runtime·tls_g(SB), DI // 不会走到这里，这是Android系统的

#else

ADDQ $8, DI // ELF wants to use -8(FS) // 这之后，DI存放的就是m0.tls[1]的地址了

#endif

MOVQ DI, SI // 将DI值赋给SI，即m0.tls[1]的地址，作为系统调用的第二个参数

MOVQ $0x1002, DI // ARCH_SET_FS // DI是第一个参数，0x1002表示操作ARCH_SET_FS，这是个int类型的code，表示设置FS段寄存器为SI寄存器的值，即m0.tls[1]

MOVQ $SYS_arch_prctl, AX // 接下来就是系统调用了

SYSCALL

CMPQ AX, $0xfffffffffffff001

JLS 2(PC)

MOVL $0xf1, 0xf1 // crash

RET

上面代码表明，通过arch_prctl的系统调用，将FS段寄存器的值设置为了m0.tls[1]的地址。操作系统在把线程调离CPU运行时会帮我们把所有寄存器中的值保存在内存中，调度线程起来运行时又会从内存中把这些寄存器的值恢复到CPU，这样，在此之后，工作线程代码就可以通过FS寄存器来找到m.tls。从而，就实现了主线程与m0之间的绑定。

为了读懂以上代码，我们需要知道的是，get_tls和g是宏实现，在runtime/go_tls.h中，如下。所以我们知道，get_tls(r)会将m0.tls的地址赋给r；而看了后面的操作，你就会明白，g(r)则会取出对应的g地址。

#ifdef GOARCH_amd64
#define    get_tls(r) MOVQ TLS, r
#define    g(r)   0(r)(TLS*1)
#endif

2.3 m0和g0的绑定

ok:

// set the per-goroutine and per-mach "registers"

get_tls(BX)

LEAQ runtime·g0(SB), CX // CX=&g0

MOVQ CX, g(BX) // m0.tls[0]=&g0

LEAQ runtime·m0(SB), AX // AX=&m0

// save m->g0 = g0

MOVQ CX, m_g0(AX) // m0.g0=&g0

// save m0 to g0->m

MOVQ AX, g_m(CX) // g0.m = m0

就这样，将g0和m0进行了深刻地绑定

2.4 调度器的初始化

在接下来的代码中又是一些需求项的检查，我们直接忽略，看以下代码：

MOVL 24(SP), AX // copy argc // AX=argc

MOVL AX, 0(SP) // argc放到栈顶

MOVQ 32(SP), AX // copy argv // AX=argv

MOVQ AX, 8(SP) // argv放到SP+8的位置

CALL runtime·args(SB) // 处理操作系统传过来的参数和env，无需关心

CALL runtime·osinit(SB) // linux系统的osinit没有做很多事，只是赋值了ncpu和物理页大小

CALL runtime·schedinit(SB) // 调度器的初始化

调度器的初始化是在runtime.schedinit函数中完成的，是用go代码写的。

// The bootstrap sequence is:
//
// call osinit
// call schedinit
// make & queue new G
// call runtime·mstart
//
// The new G calls runtime·main.
func schedinit() {
   // a lot of lock init
   ...

   // raceinit must be the first call to race detector.
   // In particular, it must be done before mallocinit below calls racemapshadow.
   // getg函数源码没有定义，在编译的时候由编译器插入，类似下面的代码
   // get_tls(CX)
   // MOVQ g(CX), BX
   _g_ := getg()  // 获取的 _g_ = &g0
   if raceenabled {
      _g_.racectx, raceprocctx0 = raceinit()
   }

   sched.maxmcount = 10000  // 操作系统线程个数最多为10000

   // a lot of init
   ...
   
   // 初始化m0
   mcommoninit(_g_.m, -1)
   
   // 一些其他设置，暂时忽略
   ...
   
   sched.lastpoll = uint64(nanotime())
   // p的数目确定
   procs := ncpu
   if n, ok := atoi32(gogetenv("GOMAXPROCS")); ok && n > 0 {
      procs = n
   }
   // 初始化p
   if procresize(procs) != nil {
      throw("unknown runnable goroutine during bootstrap")
   }
   
   ...
}

从上面我们可以看出，虽然在汇编代码中将m0与g0进行了一些数据的绑定，但是并没有真正初始化m0。所以在schedinit函数中，我们有两个重要的工作要做：

通过函数mcommoninit初始化m0；
通过函数procresize初始化p，初始化出来的p的数目一般而言是系统的CPU核数（ncpu），除非用户设置了GOMAXPROCS。

2.4.1 初始化m0

// Pre-allocated ID may be passed as 'id', or omitted by passing -1.
func mcommoninit(mp *m, id int64) {
   _g_ := getg() // _g_ = &g0

   // g0 stack won't make sense for user (and is not necessary unwindable).
   if _g_ != _g_.m.g0 {
      callers(1, mp.createstack[:])
   }

   lock(&sched.lock)

   if id >= 0 {
      mp.id = id
   } else {
      mp.id = mReserveID() // 初次从mReserveID()获取到的id=0
   }

   // random初始化，用于窃取 G
   lo := uint32(int64Hash(uint64(mp.id), fastrandseed))
   hi := uint32(int64Hash(uint64(cputicks()), ^fastrandseed))
   if lo|hi == 0 {
      hi = 1
   }
   // Same behavior as for 1.17.
   // TODO: Simplify ths.
   if goarch.BigEndian {
      mp.fastrand = uint64(lo)<<32 | uint64(hi)
   } else {
      mp.fastrand = uint64(hi)<<32 | uint64(lo)
   }

   // 创建用于信号处理的gsignal，只是简单的从堆上分配一个g结构体对象,然后把栈设置好就返回了
   mpreinit(mp)
   if mp.gsignal != nil {
      mp.gsignal.stackguard1 = mp.gsignal.stack.lo + _StackGuard
   }

   // 把m0挂入全局链表allm中
   // Add to allm so garbage collector doesn't free g->m
   // when it is just in a register or thread-local storage.
   mp.alllink = allm

   // NumCgoCall() iterates over allm w/o schedlock,
   // so we need to publish it safely.
   atomicstorep(unsafe.Pointer(&allm), unsafe.Pointer(mp))
   unlock(&sched.lock)

   // Allocate memory to hold a cgo traceback if the cgo call crashes.
   if iscgo || GOOS == "solaris" || GOOS == "illumos" || GOOS == "windows" {
      mp.cgoCallers = new(cgoCallers)
   }
}

从函数可以看出，这里并未对传入的m做有关调度的初始化，可以简单认为这个函数只是把m0放到了全局链表allm中后就返回了。

2.4.2 初始化allp

func procresize(nprocs int32) *p {
   ...

   old := gomaxprocs // 系统初始化的时候， gomaxprocs=0
   if old < 0 || nprocs <= 0 {
      throw("procresize: invalid arg")
   }
   
   ...

   // 看看是否需要扩大allp，初始化时len(allp)=0，所以肯定会增长
   // Grow allp if necessary.
   if nprocs > int32(len(allp)) {
      // Synchronize with retake, which could be running
      // concurrently since it doesn't run on a P.
      lock(&allpLock)
      if nprocs <= int32(cap(allp)) {
         allp = allp[:nprocs]
      } else {
         nallp := make([]*p, nprocs)
         // Copy everything up to allp's cap so we
         // never lose old allocated Ps.
         copy(nallp, allp[:cap(allp)])
         allp = nallp
      }

      if maskWords <= int32(cap(idlepMask)) {
         idlepMask = idlepMask[:maskWords]
         timerpMask = timerpMask[:maskWords]
      } else {
         nidlepMask := make([]uint32, maskWords)
         // No need to copy beyond len, old Ps are irrelevant.
         copy(nidlepMask, idlepMask)
         idlepMask = nidlepMask

         ntimerpMask := make([]uint32, maskWords)
         copy(ntimerpMask, timerpMask)
         timerpMask = ntimerpMask
      }
      unlock(&allpLock)
   }

   // 初始化这些P
   // initialize new P's
   for i := old; i < nprocs; i++ {
      pp := allp[i]
      if pp == nil {
         pp = new(p)
      }
      pp.init(i)
      atomicstorep(unsafe.Pointer(&allp[i]), unsafe.Pointer(pp))
   }

   _g_ := getg() // _g_ = g0
   if _g_.m.p != 0 && _g_.m.p.ptr().id < nprocs { // 初始化时m0.p=0，所以不会进这个分支
      // continue to use the current P
      _g_.m.p.ptr().status = _Prunning
      _g_.m.p.ptr().mcache.prepareForSweep()
   } else {
      // release the current P and acquire allp[0].
      //
      // We must do this before destroying our current P
      // because p.destroy itself has write barriers, so we
      // need to do that from a valid P.
      if _g_.m.p != 0 {
         if trace.enabled {
            // Pretend that we were descheduled
            // and then scheduled again to keep
            // the trace sane.
            traceGoSched()
            traceProcStop(_g_.m.p.ptr())
         }
         _g_.m.p.ptr().m = 0
      }
      _g_.m.p = 0
      p := allp[0]
      p.m = 0
      p.status = _Pidle
      acquirep(p) // 把p和m0关联起来         
      if trace.enabled {
         traceGoStart()
      }
   }

   // g.m.p is now set, so we no longer need mcache0 for bootstrapping.
   mcache0 = nil

   // release resources from unused P's
   for i := nprocs; i < old; i++ {
      p := allp[i]
      p.destroy()
      // can't free P itself because it can be referenced by an M in syscall
   }

   // Trim allp.
   if int32(len(allp)) != nprocs {
      lock(&allpLock)
      allp = allp[:nprocs]
      idlepMask = idlepMask[:maskWords]
      timerpMask = timerpMask[:maskWords]
      unlock(&allpLock)
   }

   // 将所有的空闲的p放入空闲链表
   var runnablePs *p
   for i := nprocs - 1; i >= 0; i-- {
      p := allp[i]
      if _g_.m.p.ptr() == p {
         continue
      }
      p.status = _Pidle
      if runqempty(p) {
         pidleput(p)
      } else {
         p.m.set(mget())
         p.link.set(runnablePs)
         runnablePs = p
      }
   }
   stealOrder.reset(uint32(nprocs))
   var int32p *int32 = &gomaxprocs // make compiler check that gomaxprocs is an int32
   atomic.Store((*uint32)(unsafe.Pointer(int32p)), uint32(nprocs))
   return runnablePs
}

其实，以上代码可以总结如下：

使用make([]*p, nprocs)初始化全局变量allp，即allp = make([]*p, nprocs)
循环创建并初始化nprocs个p结构体对象并依次保存在allp切片之中
把m0和allp[0]绑定在一起，即m0.p = allp[0], allp[0].m = m0
把除了allp[0]之外的所有p放入到全局变量sched的pidle空闲队列之中

至此，整个调度器中各组件之间的关系如下图所示：