Go语言并发模型 G源码分析
Go语言的线程实现模型，有三个核心的元素M、P、G，它们共同支撑起了这个线程模型的框架。其中，G 是 goroutine 的缩写，通常称为 “协程”。关于协程、线程和进程三者的异同，可以参照 “进程、线程和协程的区别”。
每一个 Goroutine 在程序运行期间，都会对应分配一个 g 结构体对象。g 中存储着 Goroutine 的运行堆栈、状态以及任务函数，g 结构的定义位于 src/runtime/runtime2.go 文件中。
g 对象可以重复使用，当一个 goroutine 退出时，g 对象会被放到一个空闲的 g 对象池中以用于后续的 goroutine 的使用，以减少内存分配开销。
1. Goroutine 字段注释
g 字段非常的多，我们这里分段来理解：
type g struct { // Stack parameters. // stack describes the actual stack memory: [stack.lo, stack.hi). // stackguard0 is the stack pointer compared in the Go stack growth prologue. // It is stack.lo+StackGuard normally, but can be StackPreempt to trigger a preemption. // stackguard1 is the stack pointer compared in the C stack growth prologue. // It is stack.lo+StackGuard on g0 and gsignal stacks. // It is ~0 on other goroutine stacks, to trigger a call to morestackc (and crash). stack stack // offset known to runtime/cgo // 检查栈空间是否足够的值, 低于这个值会扩张, stackguard0 供 Go 代码使用 stackguard0 uintptr // offset known to liblink // 检查栈空间是否足够的值, 低于这个值会扩张, stackguard1 供 C 代码使用 stackguard1 uintptr // offset known to liblink }
stack 描述了当前 goroutine 的栈内存范围[stack.lo, stack.hi)，其中 stack 的数据结构：
// Stack describes a Go execution stack. // The bounds of the stack are exactly [lo, hi), // with no implicit data structures on either side. // 描述 goroutine 执行栈 // 栈边界为[lo, hi)，左包含右不包含，即 lo≤stack<hi // 两边都没有隐含的数据结构。 type stack struct { lo uintptr // 该协程拥有的栈低位 hi uintptr // 该协程拥有的栈高位 }
stackguard0 和 stackguard1 均是一个栈指针，用于扩容场景，前者用于 Go stack ，后者用于 C stack。
如果 stackguard0 字段被设置成 StackPreempt，意味着当前 Goroutine 发出了抢占请求。
在g结构体中的stackguard0 字段是出现爆栈前的警戒线。stackguard0 的偏移量是16个字节，与当前的真实SP(stack pointer)和爆栈警戒线（stack.lo+StackGuard）比较，如果超出警戒线则表示需要进行栈扩容。先调用runtime·morestack_noctxt()进行栈扩容，然后又跳回到函数的开始位置，此时此刻函数的栈已经调整了。然后再进行一次栈大小的检测，如果依然不足则继续扩容，直到栈足够大为止。
type g struct { preempt bool // preemption signal, duplicates stackguard0 = stackpreempt preemptStop bool // transition to _Gpreempted on preemption; otherwise, just deschedule preemptShrink bool // shrink stack at synchronous safe point }
preempt抢占标记，其值为 true 执行 stackguard0 = stackpreempt。preemptStop将抢占标记修改为 _Gpreedmpted，如果修改失败则取消。preemptShrink在同步安全点收缩栈。
type g struct { _panic *_panic // innermost panic - offset known to liblink _defer *_defer // innermost defer }
_panic当前Goroutine 中的 panic。_defer当前Goroutine 中的 defer。
type g struct { m *m // current m; offset known to arm liblink sched gobuf goid int64 }
m当前 Goroutine 绑定的 M。sched存储当前 Goroutine 调度相关的数据，上下方切换时会把当前信息保存到这里，用的时候再取出来。goid当前 Goroutine 的唯一标识，对开发者不可见，一般不使用此字段，Go 开发团队未向外开放访问此字段。
gobuf 结构体定义：
type gobuf struct { // The offsets of sp, pc, and g are known to (hard-coded in) libmach. // 寄存器 sp, pc 和 g 的偏移量，硬编码在 libmach // // ctxt is unusual with respect to GC: it may be a // heap-allocated funcval, so GC needs to track it, but it // needs to be set and cleared from assembly, where it's // difficult to have write barriers. However, ctxt is really a // saved, live register, and we only ever exchange it between // the real register and the gobuf. Hence, we treat it as a // root during stack scanning, which means assembly that saves // and restores it doesn't need write barriers. It's still // typed as a pointer so that any other writes from Go get // write barriers. sp uintptr pc uintptr g guintptr ctxt unsafe.Pointer ret sys.Uintreg lr uintptr bp uintptr // for GOEXPERIMENT=framepointer }
sp栈指针位置。pc程序计数器，运行到的程序位置。ctxt不常见，可能是一个分配在heap的函数变量，因此GC 需要追踪它，不过它有可能需要设置并进行清除，在有写屏障的时候有些困难，重点了解一下write barriers。
g当前gobuf的 Goroutine。ret系统调用的结果。
调度器在将 G 由一种状态变更为另一种状态时，需要将上下文信息保存到这个gobuf结构体，当再次运行 G 的时候，再从这个结构体中读取出来，它主要用来暂存上下文信息。其中的栈指针 sp 和程序计数器 pc 会用来存储或者恢复寄存器中的值，设置即将执行的代码。
2. Goroutine 状态种类
Goroutine 的状态有以下几种：
| 状态 | 描述 |
|---|---|
_Gidle |
0 刚刚被分配并且还没有被初始化 |
_Grunnable |
1 没有执行代码，没有栈的所有权，存储在运行队列中 |
_Grunning |
2 可以执行代码，拥有栈的所有权，被赋予了内核线程 M 和处理器 P |
_Gsyscall |
3 正在执行系统调用，没有执行用户代码，拥有栈的所有权，被赋予了内核线程 M 但是不在运行队列上 |
_Gwaiting |
4 由于运行时而被阻塞，没有执行用户代码并且不在运行队列上，但是可能存在于 Channel 的等待队列上。若需要时执行ready()唤醒。 |
_Gmoribund_unused |
5 当前此状态未使用，但硬编码在了gdb 脚本里，可以不用关注 |
_Gdead |
6 没有被使用，可能刚刚退出，或在一个freelist；也或者刚刚被初始化；没有执行代码，可能有分配的栈也可能没有；G和分配的栈（如果已分配过栈）归刚刚退出G的M所有或从free list 中获取 |
_Genqueue_unused |
7 目前未使用，不用理会 |
_Gcopystack |
8 栈正在被拷贝，没有执行代码，不在运行队列上 |
_Gpreempted |
9 由于抢占而被阻塞，没有执行用户代码并且不在运行队列上，等待唤醒 |
_Gscan |
10 GC 正在扫描栈空间，没有执行代码，可以与其他状态同时存在 |
需要注意的是对于 _Gmoribund_unused 状态并未使用，但在 gdb 脚本中存在；而对于 _Genqueue_unused 状态目前也未使用，不需要关心。
_Gscan 与上面除了_Grunning 状态以外的其它状态相组合，表示 GC 正在扫描栈。Goroutine 不会执行用户代码，且栈由设置了 _Gscan 位的 Goroutine 所有。
| 状态 | 描述 |
|---|---|
_Gscanrunnable |
= _Gscan + _Grunnable // 0x1001 |
_Gscanrunning |
= _Gscan + _Grunning // 0x1002 |
_Gscansyscall |
= _Gscan + _Gsyscall // 0x1003 |
_Gscanwaiting |
= _Gscan + _Gwaiting // 0x1004 |
_Gscanpreempted |
= _Gscan + _Gpreempted // 0x1009 |
3. Goroutine 状态转换
可以看到除了上面提到的两个未使用的状态外一共有14种状态值。许多状态之间是可以进行改变的。如下图所示：
type g strcut { syscallsp uintptr // if status==Gsyscall, syscallsp = sched.sp to use during gc syscallpc uintptr // if status==Gsyscall, syscallpc = sched.pc to use during gc stktopsp uintptr // expected sp at top of stack, to check in traceback param unsafe.Pointer // passed parameter on wakeup atomicstatus uint32 stackLock uint32 // sigprof/scang lock; TODO: fold in to atomicstatus }
atomicstatus当前 G 的状态，上面介绍过 G 的几种状态值。syscallsp如果 G 的状态为Gsyscall，那么值为sched.sp主要用于GC 期间。syscallpc如果 G 的状态为GSyscall，那么值为sched.pc主要用于GC 期间。由此可见这两个字段通常一起使用。stktopsp用于回源跟踪。param唤醒 G 时传入的参数，例如调用ready()。stackLock栈锁。
type g struct { waitsince int64 // approx time when the g become blocked waitreason waitReason // if status==Gwaiting }
waitsinceG 阻塞时长。waitreason阻塞原因。
type g struct { // asyncSafePoint is set if g is stopped at an asynchronous // safe point. This means there are frames on the stack // without precise pointer information. asyncSafePoint bool paniconfault bool // panic (instead of crash) on unexpected fault address gcscandone bool // g has scanned stack; protected by _Gscan bit in status throwsplit bool // must not split stack }
asyncSafePoint异步安全点；如果 g 在异步安全点停止则设置为true，表示在栈上没有精确的指针信息。paniconfault地址异常引起的 panic（代替了崩溃）。gcscandoneg 扫描完了栈，受状态_Gscan位保护。throwsplit不允许拆分 stack。
type g struct { // activeStackChans indicates that there are unlocked channels // pointing into this goroutine's stack. If true, stack // copying needs to acquire channel locks to protect these // areas of the stack. activeStackChans bool // parkingOnChan indicates that the goroutine is about to // park on a chansend or chanrecv. Used to signal an unsafe point // for stack shrinking. It's a boolean value, but is updated atomically. parkingOnChan uint8 }
activeStackChans表示是否有未加锁定的 channel 指向到了 g 栈，如果为 true,那么对栈的复制需要 channal 锁来保护这些区域。parkingOnChan表示 g 是放在 chansend 还是 chanrecv。用于栈的收缩，是一个布尔值，但是原子性更新。
type g struct { raceignore int8 // ignore race detection events sysblocktraced bool // StartTrace has emitted EvGoInSyscall about this goroutine sysexitticks int64 // cputicks when syscall has returned (for tracing) traceseq uint64 // trace event sequencer tracelastp puintptr // last P emitted an event for this goroutine lockedm muintptr sig uint32 writebuf []byte sigcode0 uintptr sigcode1 uintptr sigpc uintptr gopc uintptr // pc of go statement that created this goroutine ancestors *[]ancestorInfo // ancestor information goroutine(s) that created this goroutine (only used if debug.tracebackancestors) startpc uintptr // pc of goroutine function racectx uintptr waiting *sudog // sudog structures this g is waiting on (that have a valid elem ptr); in lock order cgoCtxt []uintptr // cgo traceback context labels unsafe.Pointer // profiler labels timer *timer // cached timer for time.Sleep selectDone uint32 // are we participating in a select and did someone win the race? }
gopc创建当前 G 的 pc。startpcgo func 的 pc。timer通过time.Sleep 缓存 timer。
type g struct { // Per-G GC state // gcAssistBytes is this G's GC assist credit in terms of // bytes allocated. If this is positive, then the G has credit // to allocate gcAssistBytes bytes without assisting. If this // is negative, then the G must correct this by performing // scan work. We track this in bytes to make it fast to update // and check for debt in the malloc hot path. The assist ratio // determines how this corresponds to scan work debt. gcAssistBytes int64 }
gcAssistBytes与 GC 相关。
4. Goroutin 总结
- 每个 G 都有自己的状态，状态保存在
atomicstatus字段，共有十几种状态值。 - 每个 G 在状态发生变化时，即
atomicstatus字段值被改变时，都需要保存当前G的上下文的信息，这个信息存储在sched字段，其数据类型为gobuf，想理解存储的信息可以看一下这个结构体的各个字段。 - 每个 G 都有三个与抢占有关的字段，分别为
preempt、preemptStop和premptShrink。 - 每个 G 都有自己的唯一id, 字段为
goid，但此字段官方不推荐开发使用。 - 每个 G 都可以最多绑定一个m，如果可能未绑定，则值为 nil。
- 每个 G 都有自己内部的
defer和panic。 - G 可以被阻塞，并存储有阻塞原因，字段
waitsince和waitreason。 - G 可以被进行 GC 扫描，相关字段为
gcscandone、atomicstatus（_Gscan与上面除了_Grunning状态以外的其它状态组合）
参考资料：
