go中的协程-goroutine的底层实现(2)

1. goroutine源码分析

1.1 初始化

　　go程序的启动流程分为四步

1. call osinit， 这里就是设置了全局变量ncpu = cpu核心数量
2. call schedinit
3. make & queue new G （runtime.newproc, go func()也是调用这个函数来创建goroutine）
4. call runtime·mstart

　　其中，schedinit 就是调度器的初始化，除了schedinit 中对内存分配，垃圾回收等操作，针对调度器的初始化大致就是初始化自身，设置最大的maxmcount， 确定p的数量并初始化这些操作。

schedinit

　　schedinit这里对当前m进行了初始化，并根据osinit获取到的CPU核数和设置的GOMAXPROCS确定P的数量，并进行初始化。

func schedinit() {
    // 从TLS或者专用寄存器获取当前g的指针类型
    _g_ := getg()
    // 设置m最大的数量
    sched.maxmcount = 10000

    // 初始化栈的复用空间
    stackinit()
    // 初始化当前m
    mcommoninit(_g_.m)

    // osinit的时候会设置 ncpu这个全局变量，这里就是根据cpu核心数和参数GOMAXPROCS来确定p的数量
    procs := ncpu
    if n, ok := atoi32(gogetenv("GOMAXPROCS")); ok && n > 0 {
        procs = n
    }
    // 生成设定数量的p
    if procresize(procs) != nil {
        throw("unknown runnable goroutine during bootstrap")
    }
}

　　初始化当前M时调用了 mcommoninit() 函数，再看下这个函数的实现

mcommoninit

func mcommoninit(mp *m) {
    _g_ := getg()

    lock(&sched.lock)
    // 判断mnext的值是否溢出，mnext需要赋值给m.id
    if sched.mnext+1 < sched.mnext {
        throw("runtime: thread ID overflow")
    }
    mp.id = sched.mnext
    sched.mnext++
    // 判断m的数量是否比maxmcount设定的要多，如果超出直接报异常
    checkmcount()
    // 创建一个新的g用于处理signal，并分配栈
    mpreinit(mp)
    if mp.gsignal != nil {
        mp.gsignal.stackguard1 = mp.gsignal.stack.lo + _StackGuard
    }

  //添加到allm，以便垃圾收集器不会释放g-> m
    //仅在寄存器或线程本地存储中时。

    // 接下来的两行，首先将当前m放到allm的头，然后原子操作，将当前m的地址，赋值给m，这样就将当前m添加到了allm链表的头了
    mp.alllink = allm

   // NumCgoCall（）遍历不带schedlock的allm，
    //，因此我们需要安全地发布它。
    atomicstorep(unsafe.Pointer(&allm), unsafe.Pointer(mp))
    unlock(&sched.lock)

    //如果cgo调用崩溃，则分配内存以保留cgo追溯。
    if iscgo || GOOS == "solaris" || GOOS == "windows" {
        mp.cgoCallers = new(cgoCallers)
    }
}

　　在这里就开始涉及到了m链表了，这个链表可以如下图表示：

　　再来看一下生成P的函数procesize：

procresize

　　这个函数可以改变p的数量，多退少补的原则，在初始化过程中，由于最开始是没有p的，所以开始的作用就是初始化设定数量的p。procresize不仅在初始化的时候会被调用，当用户手动调用runtime.GOMAXPROCS 的时候，会重新设定 nprocs，然后执行 startTheWorld()， startTheWorld()会是使用新的 nprocs 再次调用procresize 这个方法。

func procresize(nprocs int32) *p {
    old := gomaxprocs
    if old < 0 || nprocs <= 0 {
        throw("procresize: invalid arg")
    }
    // 更新统计
    now := nanotime()
    if sched.procresizetime != 0 {
        sched.totaltime += int64(old) * (now - sched.procresizetime)
    }
    sched.procresizetime = now

    // Grow allp if necessary.
    // 如果新给的p的数量比原先的p的数量多，则新建增长的p
    if nprocs > int32(len(allp)) {
        // 与取录同步（可能正在运行）同时运行，因为它不在P上运行。
        lock(&allpLock)
        // 判断allp 的cap是否满足增长后的长度，满足就直接使用，不满足，则需要扩张这个slice
        if nprocs <= int32(cap(allp)) {
            allp = allp[:nprocs]
        } else {
            nallp := make([]*p, nprocs)
            //复制所有内容至allp的上限，因此我们永远不会丢失旧分配的P。
            copy(nallp, allp[:cap(allp)])
            allp = nallp
        }
        unlock(&allpLock)
    }

    // initialize new P's
    // 初始化新增的p
    for i := int32(0); i < nprocs; i++ {
        pp := allp[i]
        if pp == nil {
            pp = new(p)
            pp.id = i
            pp.status = _Pgcstop
            pp.sudogcache = pp.sudogbuf[:0]
            for i := range pp.deferpool {
                pp.deferpool[i] = pp.deferpoolbuf[i][:0]
            }
            pp.wbBuf.reset()
            // allp是一个slice，直接将新增的p放到对应的索引下面就ok了
            atomicstorep(unsafe.Pointer(&allp[i]), unsafe.Pointer(pp))
        }
        if pp.mcache == nil {
            // 初始化时，old=0，第一个新建的p给当前的m使用
            if old == 0 && i == 0 {
                if getg().m.mcache == nil {
                    throw("missing mcache?")
                }
                pp.mcache = getg().m.mcache // bootstrap
            } else {
                // 为p分配内存
                pp.mcache = allocmcache()
            }
        }
    }

    // free unused P's
    // 释放掉多余的p，当新设置的p的数量，比原先设定的p的数量少的时候，会走到这个流程
    // 通过 runtime.GOMAXPROCS 就可以动态的修改nprocs
    for i := nprocs; i < old; i++ {
        p := allp[i]
        // move all runnable goroutines to the global queue
        // 把当前p的运行队列里的g转移到全局的g的队列
        for p.runqhead != p.runqtail {
            // pop from tail of local queue
            p.runqtail--
            gp := p.runq[p.runqtail%uint32(len(p.runq))].ptr()
            // push onto head of global queue
            globrunqputhead(gp)
        }
        // 把runnext里的g也转移到全局队列
        if p.runnext != 0 {
            globrunqputhead(p.runnext.ptr())
            p.runnext = 0
        }
        // if there's a background worker, make it runnable and put
        // it on the global queue so it can clean itself up
        // 如果有gc worker的话，修改g的状态，然后再把它放到全局队列中
        if gp := p.gcBgMarkWorker.ptr(); gp != nil {
            casgstatus(gp, _Gwaiting, _Grunnable)
            globrunqput(gp)
            // This assignment doesn't race because the
            // world is stopped.
            p.gcBgMarkWorker.set(nil)
        }
        // sudoig的buf和cache，以及deferpool全部清空
        for i := range p.sudogbuf {
            p.sudogbuf[i] = nil
        }
        p.sudogcache = p.sudogbuf[:0]
        for i := range p.deferpool {
            for j := range p.deferpoolbuf[i] {
                p.deferpoolbuf[i][j] = nil
            }
            p.deferpool[i] = p.deferpoolbuf[i][:0]
        }
        // 释放掉当前p的mcache
        freemcache(p.mcache)
        p.mcache = nil
        // 把当前p的gfree转移到全局
        gfpurge(p)
        // 修改p的状态，让他自生自灭去了
        p.status = _Pdead
        // 无法释放P本身，因为它可以被syscall中的M引用
    }

    // Trim allp.
    if int32(len(allp)) != nprocs {
        lock(&allpLock)
        allp = allp[:nprocs]
        unlock(&allpLock)
    }
    // 判断当前g是否有p，有的话更改当前使用的p的状态，继续使用
    _g_ := getg()
    if _g_.m.p != 0 && _g_.m.p.ptr().id < nprocs {
        // continue to use the current P
        _g_.m.p.ptr().status = _Prunning
    } else {
        // release the current P and acquire allp[0]
        // 如果当前g有p，但是拥有的是已经释放的p，则不再使用这个p，重新分配
        if _g_.m.p != 0 {
            _g_.m.p.ptr().m = 0
        }
        // 分配allp[0]给当前g使用
        _g_.m.p = 0
        _g_.m.mcache = nil
        p := allp[0]
        p.m = 0
        p.status = _Pidle
        // 将p m g绑定，并把m.mcache指向p.mcache，并修改p的状态为_Prunning
        acquirep(p)
    }
    var runnablePs *p
    for i := nprocs - 1; i >= 0; i-- {
        p := allp[i]
        if _g_.m.p.ptr() == p {
            continue
        }
        p.status = _Pidle
        // 根据 runqempty 来判断当前p的g运行队列是否为空
        if runqempty(p) {
            // g运行队列为空的p，放到 sched的pidle队列里面
            pidleput(p)
        } else {
            // g 运行队列不为空的p，组成一个可运行队列，并最后返回
            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
}

• runqempty: 根据 p.runqtail == p.runqhead 和 p.runnext 来判断有没有待运行的g
• pidleput: 将当前的p设置为 sched.pidle，然后根据p.link将空闲p串联起来，可参考上图allm的链表示意图

1.2 任务

　　只需要使用 go func 就可以创建一个goroutine，编译器会将go func 翻译成 newproc 进行调用，新建的任务是如何调用的呢，下面从创建开始进行源码跟踪

newproc

　　newproc 函数获取了参数和当前g的pc信息，并通过g0调用newproc1去真正的执行创建或获取可用的g：

func newproc(siz int32, fn *funcval) {
    // 获取第一参数地址
    argp := add(unsafe.Pointer(&fn), sys.PtrSize)
    // 获取当前执行的g
    gp := getg()
    // 获取当前g的pc
    pc := getcallerpc()
    systemstack(func() {
        // 使用g0去执行newproc1函数
        newproc1(fn, (*uint8)(argp), siz, gp, pc)
    })
}

newproc1

　　newporc1 的作用就是创建或者获取一个空的g，并初始化这个g，并尝试寻找一个p和m去执行g。

func newproc1(fn *funcval, argp *uint8, narg int32, callergp *g, callerpc uintptr) {
    _g_ := getg()

    if fn == nil {
        _g_.m.throwing = -1 // 不要转储完整的堆栈
        throw("go of nil func value")
    }
    // 加锁禁止被抢占
    _g_.m.locks++ // 禁用抢占，因为它可以将p保留在本地变量中
    siz := narg
    siz = (siz + 7) &^ 7

    // We could allocate a larger initial stack if necessary.
    // Not worth it: this is almost always an error.
    // 4*sizeof(uintreg): extra space added below
    // sizeof(uintreg): caller's LR (arm) or return address (x86, in gostartcall).

    // 如果参数过多，则直接抛出异常，栈大小是2k
    if siz >= _StackMin-4*sys.RegSize-sys.RegSize {
        throw("newproc: function arguments too large for new goroutine")
    }

    _p_ := _g_.m.p.ptr()
    // 尝试获取一个空闲的g，如果获取不到，则新建一个，并添加到allg里面
    // gfget首先会尝试从p本地获取空闲的g，如果本地没有的话，则从全局获取一堆平衡到本地p
    newg := gfget(_p_)
    if newg == nil {
        newg = malg(_StackMin)
        casgstatus(newg, _Gidle, _Gdead)
        // 新建的g，添加到全局的 allg里面，allg是一个slice， append进去即可
        allgadd(newg) // publishes with a g->status of Gdead so GC scanner doesn't look at uninitialized stack.
    }
    // 判断获取的g的栈是否正常
    if newg.stack.hi == 0 {
        throw("newproc1: newg missing stack")
    }
    // 判断g的状态是否正常
    if readgstatus(newg) != _Gdead {
        throw("newproc1: new g is not Gdead")
    }
    // 预留一点空间，防止读取超出一点点
    totalSize := 4*sys.RegSize + uintptr(siz) + sys.MinFrameSize // 多余的空间，以防读取超出框架
    // 空间大小进行对齐
    totalSize += -totalSize & (sys.SpAlign - 1) // align to spAlign
    sp := newg.stack.hi - totalSize
    spArg := sp
    // usesLr 为0，这里不执行
    if usesLR {
        // caller's LR
        *(*uintptr)(unsafe.Pointer(sp)) = 0
        prepGoExitFrame(sp)
        spArg += sys.MinFrameSize
    }
    if narg > 0 {
        // 将参数拷贝入栈
        memmove(unsafe.Pointer(spArg), unsafe.Pointer(argp), uintptr(narg))
        // ... 省略 ...
    }
    // 初始化用于保存现场的区域及初始化基本状态
    memclrNoHeapPointers(unsafe.Pointer(&newg.sched), unsafe.Sizeof(newg.sched))
    newg.sched.sp = sp
    newg.stktopsp = sp
    // 这里保存了goexit的地址，在用户函数执行完成后，会根据pc来执行goexit
    newg.sched.pc = funcPC(goexit) + sys.PCQuantum // +PCQuantum so that previous instruction is in same function
    newg.sched.g = guintptr(unsafe.Pointer(newg))
    // 这里调整 sched 信息，pc = goexit的地址
    gostartcallfn(&newg.sched, fn)
    newg.gopc = callerpc
    newg.ancestors = saveAncestors(callergp)
    newg.startpc = fn.fn
    if _g_.m.curg != nil {
        newg.labels = _g_.m.curg.labels
    }
    if isSystemGoroutine(newg) {
        atomic.Xadd(&sched.ngsys, +1)
    }
    newg.gcscanvalid = false
    casgstatus(newg, _Gdead, _Grunnable)
    // 如果p缓存的goid已经用完，本地再从sched批量获取一点
    if _p_.goidcache == _p_.goidcacheend {
        / Sched.goidgen是最后分配的ID，此批次必须为[sched.goidgen + 1，sched.goidgen + GoidCacheBatch]。
        //在启动时sched.goidgen = 0，因此主goroutine接收goid = 1。
        _p_.goidcache = atomic.Xadd64(&sched.goidgen, _GoidCacheBatch)
        _p_.goidcache -= _GoidCacheBatch - 1
        _p_.goidcacheend = _p_.goidcache + _GoidCacheBatch
    }
    // 分配goid
    newg.goid = int64(_p_.goidcache)
    _p_.goidcache++
    // 把新的g放到 p 的可运行g队列中
    runqput(_p_, newg, true)
    // 判断是否有空闲p，且是否需要唤醒一个m来执行g
    if atomic.Load(&sched.npidle) != 0 && atomic.Load(&sched.nmspinning) == 0 && mainStarted {
        wakep()
    }
    _g_.m.locks--
    if _g_.m.locks == 0 && _g_.preempt { // 恢复抢占请求，以防我们在新堆栈中清除了它
        _g_.stackguard0 = stackPreempt
    }
}

gfget

　　这个函数就是看一下p有没有空闲的g，没有则去全局的freeg队列查找，这里就涉及了p本地和全局平衡的一个交互了：

func gfget(_p_ *p) *g {
retry:
    gp := _p_.gfree
    // 本地的g队列为空，且全局队列不为空，则从全局队列一次获取至多32个下来，如果全局队列不够就算了
    if gp == nil && (sched.gfreeStack != nil || sched.gfreeNoStack != nil) {
        lock(&sched.gflock)
        for _p_.gfreecnt < 32 {
            if sched.gfreeStack != nil {
                // 优先选择带堆栈的Gs。
                gp = sched.gfreeStack
                sched.gfreeStack = gp.schedlink.ptr()
            } else if sched.gfreeNoStack != nil {
                gp = sched.gfreeNoStack
                sched.gfreeNoStack = gp.schedlink.ptr()
            } else {
                break
            }
            _p_.gfreecnt++
            sched.ngfree--
            gp.schedlink.set(_p_.gfree)
            _p_.gfree = gp
        }
        // 已经从全局拿了g了，再去从头开始判断
        unlock(&sched.gflock)
        goto retry
    }
    // 如果拿到了g，则判断g是否有栈，没有栈就分配
    // 栈的分配跟内存分配差不多，首先创建几个固定大小的栈的数组，然后到指定大小的数组里面去分配就ok了，过大则直接全局分配
    if gp != nil {
        _p_.gfree = gp.schedlink.ptr()
        _p_.gfreecnt--
        if gp.stack.lo == 0 {
            // 堆栈已在gfput中释放，分配一个新的。
            systemstack(func() {
                gp.stack = stackalloc(_FixedStack)
            })
            gp.stackguard0 = gp.stack.lo + _StackGuard
        } else {
            // ... 省略 ...
        }
    }
    // 注意： 如果全局没有g，p也没有g，则返回的gp还是nil
    return gp
}

runqput

　　runqput会把g放到p的本地队列或者p.runnext，如果p的本地队列过长，则把g到全局队列，同时平衡p本地队列的一半到全局

func runqput(_p_ *p, gp *g, next bool) {
    if randomizeScheduler && next && fastrand()%2 == 0 {
        next = false
    }
    // 如果next为true，则放入到p.runnext里面，并把原先runnext的g交换出来
    if next {
    retryNext:
        oldnext := _p_.runnext
        if !_p_.runnext.cas(oldnext, guintptr(unsafe.Pointer(gp))) {
            goto retryNext
        }
        if oldnext == 0 {
            return
        }
        // Kick the old runnext out to the regular run queue.
        gp = oldnext.ptr()
    }

retry:
    h := atomic.Load(&_p_.runqhead) // load-acquire, synchronize with consumers
    t := _p_.runqtail
    // 判断p的队列的长度是否超了， runq是一个长度为256的数组，超出的话就会放到全局队列了
    if t-h < uint32(len(_p_.runq)) {
        _p_.runq[t%uint32(len(_p_.runq))].set(gp)
        atomic.Store(&_p_.runqtail, t+1) // store-release, makes the item available for consumption
        return
    }
    // 把g放到全局队列
    if runqputslow(_p_, gp, h, t) {
        return
    }
    // the queue is not full, now the put above must succeed
    goto retry
}

　　runqputslow

func runqputslow(_p_ *p, gp *g, h, t uint32) bool {
    var batch [len(_p_.runq)/2 + 1]*g

    // 首先，从本地队列中抓取一批。
    n := t - h
    n = n / 2
    if n != uint32(len(_p_.runq)/2) {
        throw("runqputslow: queue is not full")
    }
    // 获取p后面的一半
    for i := uint32(0); i < n; i++ {
        batch[i] = _p_.runq[(h+i)%uint32(len(_p_.runq))].ptr()
    }
    if !atomic.Cas(&_p_.runqhead, h, h+n) { // cas-release, commits consume
        return false
    }
    batch[n] = gp

    // 链接goroutines。
    for i := uint32(0); i < n; i++ {
        batch[i].schedlink.set(batch[i+1])
    }

    // 现在将批次放入全局队列。
    // 放到全局队列队尾
    lock(&sched.lock)
    globrunqputbatch(batch[0], batch[n], int32(n+1))
    unlock(&sched.lock)
    return true
}

　　新建任务至此基本结束，创建完成任务后，等待调度执行就好了，从上面可以看出，任务的优先级是 p.runnext > p.runq > sched.runq

　　g从创建到执行结束并放入free队列中的状态转换大致如下图所示：

wakep

　　当 newproc1创建完任务后，会尝试唤醒m来执行任务

func wakep() {
    // 对旋转线程持保守态度。
    // 一次应该只有一个m在spining，否则就退出
    if !atomic.Cas(&sched.nmspinning, 0, 1) {
        return
    }
    // 调用startm来执行
    startm(nil, true)
}

startm

　　调度m或者创建m来运行p，如果p==nil，就会尝试获取一个空闲p，p的队列中有g，拿到p后才能拿到g

func startm(_p_ *p, spinning bool) {
    lock(&sched.lock)
    if _p_ == nil {
        // 如果没有指定p, 则从sched.pidle获取空闲的p
        _p_ = pidleget()
        if _p_ == nil {
            unlock(&sched.lock)
            // 如果没有获取到p，重置nmspinning
            if spinning {
                // The caller增加了nmspinning，但是没有空闲的Ps，因此，只需取消增量并放弃就可以了。
                if int32(atomic.Xadd(&sched.nmspinning, -1)) < 0 {
                    throw("startm: negative nmspinning")
                }
            }
            return
        }
    }
    // 首先尝试从 sched.midle获取一个空闲的m
    mp := mget()
    unlock(&sched.lock)
    if mp == nil {
        // 如果获取不到空闲的m，则创建一个 mspining = true的m，并将p绑定到m上，直接返回
        var fn func()
        if spinning {
            // The caller incremented nmspinning, so set m.spinning in the new M.
            fn = mspinning
        }
        newm(fn, _p_)
        return
    }
    // 判断获取到的空闲m是否是spining状态
    if mp.spinning {
        throw("startm: m is spinning")
    }
    // 判断获取到的m是否有p
    if mp.nextp != 0 {
        throw("startm: m has p")
    }
    if spinning && !runqempty(_p_) {
        throw("startm: p has runnable gs")
    }
    // The caller incremented nmspinning, so set m.spinning in the new M.
    // 调用函数的父函数已经增加了nmspinning， 这里只需要设置m.spining就ok了，同时把p绑上来
    mp.spinning = spinning
    mp.nextp.set(_p_)
    // 唤醒m
    notewakeup(&mp.park)
}

newm

　　newm 通过allocm函数来创建新m

func newm(fn func(), _p_ *p) {
    // 新建一个m
    mp := allocm(_p_, fn)
    // 为这个新建的m绑定指定的p
    mp.nextp.set(_p_)
    // ... 省略 ...
    // 创建系统线程
    newm1(mp)
}

 new1m

func newm1(mp *m) {
    // runtime cgo包会把iscgo设置为true，这里不分析
    if iscgo {
        var ts cgothreadstart
        if _cgo_thread_start == nil {
            throw("_cgo_thread_start missing")
        }
        ts.g.set(mp.g0)
        ts.tls = (*uint64)(unsafe.Pointer(&mp.tls[0]))
        ts.fn = unsafe.Pointer(funcPC(mstart))
        if msanenabled {
            msanwrite(unsafe.Pointer(&ts), unsafe.Sizeof(ts))
        }
        execLock.rlock() //防止进程克隆。
        asmcgocall(_cgo_thread_start, unsafe.Pointer(&ts))
        execLock.runlock()
        return
    }
    execLock.rlock() // Prevent process clone.
    newosproc(mp)
    execLock.runlock()
}

newosproc

　　newosproc 创建一个新的系统线程，并执行mstart_stub函数，之后调用mstart函数进入调度，后面在执行流程会分析

func newosproc(mp *m) {
    stk := unsafe.Pointer(mp.g0.stack.hi)
    //初始化属性对象。
    var attr pthreadattr
    var err int32
    err = pthread_attr_init(&attr)

    // 最后，创建线程。它从mstart_stub开始，它执行一些低级操作设置，然后调用mstart。
    var oset sigset
    sigprocmask(_SIG_SETMASK, &sigset_all, &oset)
    // 创建线程，并传入启动启动函数 mstart_stub， mstart_stub 之后调用mstart
    err = pthread_create(&attr, funcPC(mstart_stub), unsafe.Pointer(mp))
    sigprocmask(_SIG_SETMASK, &oset, nil)
    if err != 0 {
        write(2, unsafe.Pointer(&failthreadcreate[0]), int32(len(failthreadcreate)))
        exit(1)
    }
}

allocm

　　allocm这里首先会释放 sched的freem，然后再去创建m，并初始化m：

func allocm(_p_ *p, fn func()) *m {
    _g_ := getg()
    _g_.m.locks++ // 禁用GC，因为可以从sysmon调用它
    if _g_.m.p == 0 {
        acquirep(_p_) // 在此函数中临时为mallocs借用p
    }

    // 释放免费的M列表。我们需要在某个地方这样做，这样可以释放我们可以使用的堆栈。
    // 首先释放掉freem列表
    if sched.freem != nil {
        lock(&sched.lock)
        var newList *m
        for freem := sched.freem; freem != nil; {
            if freem.freeWait != 0 {
                next := freem.freelink
                freem.freelink = newList
                newList = freem
                freem = next
                continue
            }
            stackfree(freem.g0.stack)
            freem = freem.freelink
        }
        sched.freem = newList
        unlock(&sched.lock)
    }

    mp := new(m)
    // 启动函数，根据startm调用来看，这个fn就是 mspinning， 会将m.mspinning设置为true
    mp.mstartfn = fn
    // 初始化m，上面已经分析了
    mcommoninit(mp)
   //如果是cgo或Solaris或Darwin，pthread_create将使我们成为堆栈。
    // Windows和Plan 9将在操作系统堆栈上安排预定的堆栈。
    // 为新的m创建g0
    if iscgo || GOOS == "solaris" || GOOS == "windows" || GOOS == "plan9" || GOOS == "darwin" {
        mp.g0 = malg(-1)
    } else {
        mp.g0 = malg(8192 * sys.StackGuardMultiplier)
    }
    // 为mp的g0绑定自己
    mp.g0.m = mp
    // 如果当前的m所绑定的是参数传递过来的p，解除绑定，因为参数传递过来的p稍后要绑定新建的m
    if _p_ == _g_.m.p.ptr() {
        releasep()
    }

    _g_.m.locks--
    if _g_.m.locks == 0 && _g_.preempt { // 恢复抢占请求，以防我们在新堆栈中清除了它
        _g_.stackguard0 = stackPreempt
    }

    return mp
}

notewakeup

func notewakeup(n *note) {
    var v uintptr
    // 设置m 为locked
    for {
        v = atomic.Loaduintptr(&n.key)
        if atomic.Casuintptr(&n.key, v, locked) {
            break
        }
    }

    // Successfully set waitm to locked.
    // What was it before?
    // 根据m的原先的状态，来判断后面的执行流程，0则直接返回，locked则冲突，否则认为是wating，唤醒
    switch {
    case v == 0:
        // Nothing was waiting. Done.
    case v == locked:
        // Two notewakeups! Not allowed.
        throw("notewakeup - double wakeup")
    default:
        // Must be the waiting m. Wake it up.
        // 唤醒系统线程
        semawakeup((*m)(unsafe.Pointer(v)))
    }
}

1.3 执行

　　在startm函数分析的过程中会，可以看到，有两种获取m的方式

• 新建： 这时候执行newm1下的newosproc，同时最终调用mstart来执行调度
• 唤醒空闲m：从休眠的地方继续执行

　　m执行g有两个起点，一个是线程启动函数 mstart， 另一个则是休眠被唤醒后的调度schedule了，我们从头开始，也就是mstart， mstart 走到最后也是 schedule 调度。

mstart

func mstart() {
    _g_ := getg()

    osStack := _g_.stack.lo == 0
    if osStack {
       //从系统堆栈初始化堆栈边界。
         // Cgo可能在stack.hi中具有左堆栈大小。
         // minit可能会更新堆栈边界。

        // 从系统堆栈上直接划出所需的范围
        size := _g_.stack.hi
        if size == 0 {
            size = 8192 * sys.StackGuardMultiplier
        }
        _g_.stack.hi = uintptr(noescape(unsafe.Pointer(&size)))
        _g_.stack.lo = _g_.stack.hi - size + 1024
    }
    //初始化堆栈保护，以便我们可以开始调用Go和C函数都具有堆栈增长序言。
    _g_.stackguard0 = _g_.stack.lo + _StackGuard
    _g_.stackguard1 = _g_.stackguard0
    // 调用mstart1来处理
    mstart1()

    // Exit this thread.
    if GOOS == "windows" || GOOS == "solaris" || GOOS == "plan9" || GOOS == "darwin" {
        // Window，Solaris，Darwin和Plan 9总是系统分配堆栈，但将其放在mstart之前的_g_.stack中，因此上述逻辑尚未设置osStack。
        osStack = true
    }
    // 退出m，正常情况下mstart1调用schedule() 时，是不再返回的，所以，不用担心系统线程的频繁创建退出
    mexit(osStack)
}

mstart1

func mstart1() {
    _g_ := getg()

    if _g_ != _g_.m.g0 {
        throw("bad runtime·mstart")
    }

    //记录调用方，以用作mcall和用于终止线程。
     //在调用schedule之后，我们再也不会回到mstart1了，以便其他调用可以重用当前帧。

    // 保存调用者的pc sp等信息
    save(getcallerpc(), getcallersp())
    asminit()
    // 初始化m的sigal的栈和mask
    minit()

    //安装信号处理程序； 在minit之后，minit可以准备线程以处理信号。

    // 安装sigal处理器
    if _g_.m == &m0 {
        mstartm0()
    }
    // 如果设置了mstartfn，就先执行这个
    if fn := _g_.m.mstartfn; fn != nil {
        fn()
    }

    if _g_.m.helpgc != 0 {
        _g_.m.helpgc = 0
        stopm()
    } else if _g_.m != &m0 {
        // 获取nextp
        acquirep(_g_.m.nextp.ptr())
        _g_.m.nextp = 0
    }
    schedule()
}

acquirep1

func acquirep1(_p_ *p) {
    _g_ := getg()

    // 让m p互相绑定
    _g_.m.p.set(_p_)
    _p_.m.set(_g_.m)
    _p_.status = _Prunning
}

schedule

　　开始进入到调度函数了，这是一个由schedule、execute、goroutine fn、goexit构成的逻辑循环，就算m是唤醒后，也是从设置的断点开始执行。

　　schedule函数在runtime需要进行调度时执行，为当前的P寻找一个可以运行的G并执行它，寻找顺序如下：

• 1） 调用runqget函数来从P自己的runnable G队列中得到一个可以执行的G；
• 2） 如果1）失败，则调用findrunnable函数去寻找一个可以执行的G；
• 3） 如果2）也没有得到可以执行的G，那么结束调度，从上次的现场继续执行。
• 4） 注意）//偶尔会先检查一次全局可运行队列，以确保公平性。否则，两个goroutine可以完全占用本地runqueue。 通过 schedtick计数 %61来保证

func schedule() {
    _g_ := getg()

    if _g_.m.locks != 0 {
        throw("schedule: holding locks")
    }
    // 如果有lockg，停止执行当前的m
    if _g_.m.lockedg != 0 {
        // 解除lockedm的锁定，并执行当前g
        stoplockedm()
        execute(_g_.m.lockedg.ptr(), false) // Never returns.
    }

    //我们不应该将正在执行cgo调用的g排开，因为cgo调用正在使用m的g0堆栈。
    if _g_.m.incgo {
        throw("schedule: in cgo")
    }

top:
    // gc 等待
    if sched.gcwaiting != 0 {
        gcstopm()
        goto top
    }

    var gp *g
    var inheritTime bool

    if gp == nil {
        //偶尔检查全局可运行队列以确保公平。
        //否则，两个goroutine可以完全占据本地运行队列 通过不断重生彼此。
        // 为了保证公平，每隔61次，从全局队列上获取g
        if _g_.m.p.ptr().schedtick%61 == 0 && sched.runqsize > 0 {
            lock(&sched.lock)
            gp = globrunqget(_g_.m.p.ptr(), 1)
            unlock(&sched.lock)
        }
    }
    if gp == nil {
        // 全局队列上获取不到待运行的g，则从p local队列中获取
        gp, inheritTime = runqget(_g_.m.p.ptr())
        if gp != nil && _g_.m.spinning {
            throw("schedule: spinning with local work")
        }
    }
    if gp == nil {
        // 如果p local获取不到待运行g，则开始查找，这个函数会从 全局 io poll， p locl和其他p local获取待运行的g，后面详细分析
        gp, inheritTime = findrunnable() // blocks until work is available
    }

    //此线程将运行goroutine并且不再旋转，因此，如果标记为正在旋转，则需要立即重置它，并可能开始一个新的旋转M。
    if _g_.m.spinning {
        // 如果m是自旋状态，取消自旋
        resetspinning()
    }

    if gp.lockedm != 0 {
        //将自己的p交给锁定的m，然后阻止等待新的p。
        // 如果g有lockedm，则休眠上交p，休眠m，等待新的m，唤醒后从这里开始执行，跳转到top
        startlockedm(gp)
        goto top
    }
    // 开始执行这个g
    execute(gp, inheritTime)
}

　　因为当前的m绑定了lockedg，而当前g不是指定的lockedg，所以这个m不能执行，函数 stoplockedm() 解除lockedm的锁定，上交当前m绑定的p，并且休眠m直到调度lockedg。这个函数首先会释放当前P ->release() 然后通过 handoffp() 函数调用startm函开始调度。handoffp会判断有没有正在寻找p的m以及有没有空闲的p，如果有，尝试调用startm进行调度，如果全局队列运行g队列不为空，尝试使用startm进行调度。

　　handoffp函数将P从系统调用或阻塞的M中传递出去，如果P还有runnable G队列，那么新开一个M，调用startm函数，新开的M不空旋。

　　execute（）函数就开始执行g的代码了：

func execute(gp *g, inheritTime bool) {
    _g_ := getg()
    // 更改g的状态，并不允许抢占
    casgstatus(gp, _Grunnable, _Grunning)
    gp.waitsince = 0
    gp.preempt = false
    gp.stackguard0 = gp.stack.lo + _StackGuard
    if !inheritTime {
        // 调度计数
        _g_.m.p.ptr().schedtick++
    }
    _g_.m.curg = gp
    gp.m = _g_.m
    // 开始执行g的代码了
    gogo(&gp.sched)
}

　　gogo函数承载的作用就是切换到g的栈，开始执行g的代码，gogo执行完函数后，是怎么再次进入调度呢？回到前面newproc1函数的L63 newg.sched.pc = funcPC(goexit) + sys.PCQuantum ，这里保存了pc的质地为goexit的地址，所以当执行完用户代码后，就会进入 goexit 函数。

goexit0

　　goexit 在汇编层面就是调用 runtime.goexit1，而goexit1通过 mcall 调用了goexit0 所以这里直接分析了goexit0。goexit0 重置g的状态，并重新进行调度，这样就调度就又回到了schedule() 了，开始循环往复的调度。

func goexit0(gp *g) {
    _g_ := getg()
    // 转换g的状态为dead，以放回空闲列表
    casgstatus(gp, _Grunning, _Gdead)
    if isSystemGoroutine(gp) {
        atomic.Xadd(&sched.ngsys, -1)
    }
    // 清空g的状态
    gp.m = nil
    locked := gp.lockedm != 0
    gp.lockedm = 0
    _g_.m.lockedg = 0
    gp.paniconfault = false
    gp._defer = nil // 应该是真实的，但以防万一。
    gp._panic = nil // 恐慌期间，对于Goexit不为零。指向堆栈分配的数据。
    gp.writebuf = nil
    gp.waitreason = 0
    gp.param = nil
    gp.labels = nil
    gp.timer = nil

    注意，gp的堆栈扫描现在“有效”，因为它没有堆栈。
    gp.gcscanvalid = true
    dropg()

    // 把g放回空闲列表，以备复用
    gfput(_g_.m.p.ptr(), gp)
    // 再次进入调度循环
    schedule()
}

　　goexit函数是当G退出时调用的。这个函数对G进行一些设置后，将它放入free G列表中，供以后复用，之后调用schedule函数调度。

　　至此，单次调度结束，再次进入调度，循环往复。

　　findrunnable() 寻找一个可运行的g，过程：

• 从p自己的local队列中获取可运行的g
• 从全局队列中获取可运行的g
• 从netpoll中获取一个已经准备好的g
• 从其他p的local队列中获取可运行的g，随机偷取p的runnext，有点任性
• 无论如何都获取不到的话，就stopm了

stopm

　　stop会把当前m放到空闲列表里面，同时绑定m.nextp 与 m

func stopm() {
    _g_ := getg()
retry:
    lock(&sched.lock)
    // 把当前m放到sched.midle 的空闲列表里
    mput(_g_.m)
    unlock(&sched.lock)
    // 休眠，等待被唤醒
    notesleep(&_g_.m.park)
    noteclear(&_g_.m.park)
    // 绑定p
    acquirep(_g_.m.nextp.ptr())
    _g_.m.nextp = 0
}

1.4 监控

 sysmon

　　go的监控是依靠函数 sysmon 来完成的，监控主要做一下几件事：

• 释放闲置超过5分钟的span物理内存
• 如果超过两分钟没有执行垃圾回收，则强制执行
• 将长时间未处理的netpoll结果添加到任务队列
• 向长时间运行的g进行抢占
• 收回因为syscall而长时间阻塞的p

　　监控线程并不是时刻在运行的，监控线程首次休眠20us，每次执行完后，增加一倍的休眠时间，但是最多休眠10ms。

func sysmon() {
    lock(&sched.lock)
    sched.nmsys++
    checkdead()
    unlock(&sched.lock)

    // 如果垃圾回收后5分钟内未使用堆范围，我们将其交还给操作系统。
    scavengelimit := int64(5 * 60 * 1e9)

    if debug.scavenge > 0 {
        // 大量测试。
        forcegcperiod = 10 * 1e6
        scavengelimit = 20 * 1e6
    }

    lastscavenge := nanotime()
    nscavenge := 0

    lasttrace := int64(0)
    idle := 0 // 我们没有连续唤醒多少个周期。
    delay := uint32(0)
    for {
        // 判断当前循环，应该休眠的时间
        if idle == 0 { // start with 20us sleep...
            delay = 20
        } else if idle > 50 { // start doubling the sleep after 1ms...
            delay *= 2
        }
        if delay > 10*1000 { // up to 10ms
            delay = 10 * 1000
        }
        usleep(delay)
        // STW时休眠sysmon
        if debug.schedtrace <= 0 && (sched.gcwaiting != 0 || atomic.Load(&sched.npidle) == uint32(gomaxprocs)) {
            lock(&sched.lock)
            if atomic.Load(&sched.gcwaiting) != 0 || atomic.Load(&sched.npidle) == uint32(gomaxprocs) {
                atomic.Store(&sched.sysmonwait, 1)
                unlock(&sched.lock)
                // 使唤醒时间足够小，采样正确。
                maxsleep := forcegcperiod / 2
                if scavengelimit < forcegcperiod {
                    maxsleep = scavengelimit / 2
                }
                shouldRelax := true
                if osRelaxMinNS > 0 {
                    next := timeSleepUntil()
                    now := nanotime()
                    if next-now < osRelaxMinNS {
                        shouldRelax = false
                    }
                }
                if shouldRelax {
                    osRelax(true)
                }
                // 进行休眠
                notetsleep(&sched.sysmonnote, maxsleep)
                if shouldRelax {
                    osRelax(false)
                }
                lock(&sched.lock)
                // 唤醒后，清除休眠状态，继续执行
                atomic.Store(&sched.sysmonwait, 0)
                noteclear(&sched.sysmonnote)
                idle = 0
                delay = 20
            }
            unlock(&sched.lock)
        }
        // 必要时触发libc拦截器
        if *cgo_yield != nil {
            asmcgocall(*cgo_yield, nil)
        }
        // poll network if not polled for more than 10ms
        lastpoll := int64(atomic.Load64(&sched.lastpoll))
        now := nanotime()
        // 如果netpoll不为空，每隔10ms检查一下是否有ok的
        if netpollinited() && lastpoll != 0 && lastpoll+10*1000*1000 < now {
            atomic.Cas64(&sched.lastpoll, uint64(lastpoll), uint64(now))
            // 返回了已经获取到结果的goroutine的列表
            gp := netpoll(false) // non-blocking - returns list of goroutines
            if gp != nil {
                incidlelocked(-1)
                // 把获取到的g的列表加入到全局待运行队列中
                injectglist(gp)
                incidlelocked(1)
            }
        }
        // 重新获取系统调用中阻止的P，并抢占长期运行的G
        // 抢夺syscall长时间阻塞的p和长时间运行的g
        if retake(now) != 0 {
            idle = 0
        } else {
            idle++
        }
        // check if we need to force a GC
        // 通过gcTrigger.test() 函数判断是否超过设定的强制触发gc的时间间隔，
        if t := (gcTrigger{kind: gcTriggerTime, now: now}); t.test() && atomic.Load(&forcegc.idle) != 0 {
            lock(&forcegc.lock)
            forcegc.idle = 0
            forcegc.g.schedlink = 0
            // 把gc的g加入待运行队列，等待调度运行
            injectglist(forcegc.g)
            unlock(&forcegc.lock)
        }
        // scavenge heap once in a while
        // 判断是否有5分钟未使用的span，有的话，归还给系统
        if lastscavenge+scavengelimit/2 < now {
            mheap_.scavenge(int32(nscavenge), uint64(now), uint64(scavengelimit))
            lastscavenge = now
            nscavenge++
        }
        if debug.schedtrace > 0 && lasttrace+int64(debug.schedtrace)*1000000 <= now {
            lasttrace = now
            schedtrace(debug.scheddetail > 0)
        }
    }
}

　　sysmon函数是Go runtime启动时创建的，负责监控所有goroutine的状态，判断是否需要GC，进行netpoll等操作。sysmon函数中会调用retake函数进行抢占式调度。跟前面添加p和m的逻辑差不多，下面看如何抢占：

retake

const forcePreemptNS = 10 * 1000 * 1000 // 10ms

func retake(now int64) uint32 {
    n := 0
    //防止allp slice更改。此锁将完全，没有竞争，除非我们已经停止了世界。
    lock(&allpLock)
    //我们不能对allp使用范围循环，因为我们可能暂时删除allpLock。因此，我们需要重新获取每次循环时分配。
    for i := 0; i < len(allp); i++ {
        _p_ := allp[i]
        if _p_ == nil {
           //如果procresize增加了，就会发生这种情况 allp，但尚未创建新的P。
            continue
        }
        pd := &_p_.sysmontick
        s := _p_.status
        if s == _Psyscall {
            //如果系统调用中的P超过1个sysmon滴答声（至少20us），则将其取回。
            // pd.syscalltick 即 _p_.sysmontick.syscalltick 只有在sysmon的时候会更新，而 _p_.syscalltick 则会每次都更新，所以，当syscall之后，第一个sysmon检测到的时候并不会抢占，而是第二次开始才会抢占，中间间隔至少有20us，最多会有10ms
            t := int64(_p_.syscalltick)
            if int64(pd.syscalltick) != t {
                pd.syscalltick = uint32(t)
                pd.syscallwhen = now
                continue
            }
           //一方面，如果您没有其他工作要做，我们不想重新获得P，但另一方面，我们希望最终将它们重新收录，因为它们可以防止sysmon线程进入深度睡眠状态。

            // 是否有空p，有寻找p的m，以及当前的p在syscall之后，有没有超过10ms
            if runqempty(_p_) && atomic.Load(&sched.nmspinning)+atomic.Load(&sched.npidle) > 0 && pd.syscallwhen+10*1000*1000 > now {
                continue
            }
           //删除allpLock，以便我们使用sched.lock。
            //解锁（＆allpLock），需要减少空闲锁定M的数量
            //（假设还有一个正在运行）。
            //否则，我们从中夺回的M可以退出系统调用，递增nmidle并报告deadlock.sleep。
            incidlelocked(-1)
            // 抢占p，把p的状态转为idle状态
            if atomic.Cas(&_p_.status, s, _Pidle) {
                if trace.enabled {
                    traceGoSysBlock(_p_)
                    traceProcStop(_p_)
                }
                n++
                _p_.syscalltick++
                // 把当前p移交出去，上面已经分析过了
                handoffp(_p_)
            }
            incidlelocked(1)
            lock(&allpLock)
        } else if s == _Prunning {
            //如果G运行时间过长，则抢占G。
            // 如果p是running状态，如果p下面的g执行太久了，则抢占
            t := int64(_p_.schedtick)
            if int64(pd.schedtick) != t {
                pd.schedtick = uint32(t)
                pd.schedwhen = now
                continue
            }
            // 判断是否超出10ms, 不超过不抢占
            if pd.schedwhen+forcePreemptNS > now {
                continue
            }
            // 开始抢占
            preemptone(_p_)
        }
    }
    unlock(&allpLock)
    return uint32(n)
}

preemptone

　　抢占实现:

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
    }
    // 标识抢占字段
    gp.preempt = true

    // go例程中的每个调用都检查堆栈溢出,比较当前堆栈指针与gp-> stackguard0。
    //将gp-> stackguard0设置为StackPreempt折叠，抢占正常的堆栈溢出检查。

    // 更新stackguard0，保证能检测到栈溢
    gp.stackguard0 = stackPreempt
    return true
}

　　在这里，作者会更新  gp.stackguard0 = stackPreempt，然后让g误以为栈不够用了，那就只有乖乖的去进行栈扩张，站扩张的话就用调用newstack 分配一个新栈，然后把原先的栈的内容拷贝过去，而在 newstack 里面有一段如下。

if preempt {
    if thisg.m.locks != 0 || thisg.m.mallocing != 0 || thisg.m.preemptoff != "" || thisg.m.p.ptr().status != _Prunning {
        //让goroutine现在继续运行。
        //已设置gp-> preempt，因此下一次将被抢占。
        gp.stackguard0 = gp.stack.lo + _StackGuard
        gogo(&gp.sched) // never return
    }
}

　　然后这里就发现g被抢占了，这种抢占方式自动1.5（也可能更早）就一直存在，且稳定运行。

 2. 总结

　　调度器

• 复用线程：协程本身就是运行在一组线程之上，不需要频繁的创建、销毁线程，而是对线程的复用。在调度器中复用线程还有2个体现：1）work stealing，当本线程无可运行的G时，尝试从其他线程绑定的P偷取G，而不是销毁线程。2）handoff，当本线程因为G进行系统调用阻塞时，线程释放绑定的P，把P转移给其他空闲的线程执行。
• 利用并行：GOMAXPROCS设置P的数量，当GOMAXPROCS大于1时，就最多有GOMAXPROCS个线程处于运行状态，这些线程可能分布在多个CPU核上同时运行，使得并发利用并行。另外，GOMAXPROCS也限制了并发的程度，比如GOMAXPROCS = 核数/2，则最多利用了一半的CPU核进行并行。

• 抢占：在coroutine中要等待一个协程主动让出CPU才执行下一个协程，在Go中，一个goroutine最多占用CPU 10ms，防止其他goroutine被饿死，这就是goroutine不同于coroutine的一个地方。
• 全局G队列：在新的调度器中依然有全局G队列，但功能已经被弱化了，当M执行work stealing从其他P偷不到G时，它可以从全局G队列获取G。

　　多级缓存： 这一块跟内存上的设计思想也是一直的，p一直有一个 g 的待运行队列，自己没有货过多的时候，才会平衡到全局队列，全局队列操作需要锁，则本地操作则不需要，大大减少了锁的创建销毁所消耗的资源