Go runtime 调度器精讲（八）：运行时间过长的抢占
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0. 前言
在 Go runtime 调度器精讲（七）：案例分析 一文我们介绍了一个抢占的案例。从案例分析抢占的实现，并未涉及到源码层面。本文将继续从源码入手，看 Go runtime 调度器是如何实现抢占逻辑的。
1. sysmon 线程
还记得 Go runtime 调度器精讲（四）：运行 main goroutine 一文我们蜻蜓点水的提了一嘴 sysmon 线程，它是运行在系统栈上的监控线程，负责监控 goroutine 的状态，并且做相应处理。当然，也负责做抢占的处理，它是本讲的重点。
sysmon 的创建在 src/runtime/proc.go:sysmon：
// The main goroutine.
func main() {
...
if GOARCH != "wasm" { // no threads on wasm yet, so no sysmon
systemstack(func() {
newm(sysmon, nil, -1)
})
}
...
}
sysmon 不需要和 P 绑定，作为监控线程运行在系统栈。进入 sysmon：
func sysmon() {
...
idle := 0 // how many cycles in succession we had not wokeup somebody
delay := uint32(0)
for {
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) // 休眠 delay us
// retake P's blocked in syscalls
// and preempt long running G's
if retake(now) != 0 {
idle = 0
} else {
idle++
}
...
}
}
省略了很多和抢占无关的内容，和抢占相关的是 retake 函数，进入 retake：
func retake(now int64) uint32 {
n := 0
lock(&allpLock)
// 。。。
for i := 0; i < len(allp); i++ {
if pp == nil {
// This can happen if procresize has grown
// allp but not yet created new Ps.
continue
}
pd := &pp.sysmontick // 用于 sysmon 线程记录被监控 p 的系统调用次数和调用时间
s := pp.status
sysretake := false
if s == _Prunning || s == _Psyscall { // 如果 P 是 _Prunning 或者 _Psyscall，则对 P 进行处理
// Preempt G if it's running for too long.
t := int64(pp.schedtick) // P 的 schedtick 用于记录 P 被调度的次数
if int64(pd.schedtick) != t {
pd.schedtick = uint32(t) // 如果系统监控和调度次数不一致，则更新系统监控的调度次数和调度时间点
pd.schedwhen = now
} else if pd.schedwhen+forcePreemptNS <= now { // forcePreemptNS 为 10ms，如果 P 的 goroutine 运行时间超过 10ms 则对 P 发起抢占
preemptone(pp) // 抢占 P
// In case of syscall, preemptone() doesn't
// work, because there is no M wired to P.
sysretake = true // 设置 retake 标志为 true
}
}
...
}
unlock(&allpLock)
return uint32(n)
}
这里重点在如果 P 的 goroutine 运行时间过长，则进入 preemptone(pp) 抢占 P，也就是抢占运行时间过长的 goroutine。
1.1 抢占运行时间过长的 goroutine
进入 preemptone：
func preemptone(pp *p) bool {
mp := pp.m.ptr() // P 绑定的线程
if mp == nil || mp == getg().m {
return false
}
gp := mp.curg // 线程运行的 goroutine，就是该 goroutine 运行过长的
if gp == nil || gp == mp.g0 {
return false
}
gp.preempt = true // 设置抢占标志位为 true
// Every call in a goroutine checks for stack overflow by
// comparing the current stack pointer to gp->stackguard0.
// Setting gp->stackguard0 to StackPreempt folds
// preemption into the normal stack overflow check.
gp.stackguard0 = stackPreempt // 官方的注释已经很清晰了，设置 goroutine 的 stackguard0 为 stackPreempt，stackPreempt 是一个比任何栈都大的数
// Request an async preemption of this P.
if preemptMSupported && debug.asyncpreemptoff == 0 { // 是否开启异步抢占，这里我们先忽略
pp.preempt = true
preemptM(mp)
}
return true
}
可以看到，preemptone 主要是更新了 goroutine 的 gp.stackguard0，为什么更新这个呢？
主要是在下一次调用函数时，调度器会根据这个值判断是否应该抢占当前 goroutine。
我们看一个 goroutine 栈如下：
func gpm() {
print("hello runtime")
}
func main() {
go gpm()
time.Sleep(1 * time.Minute)
print("hello main")
}
给 goroutine 加断点，dlv 进入断点处：
(dlv) b main.gpm
Breakpoint 1 set at 0x46232a for main.gpm() ./main.go:5
(dlv) c
> main.gpm() ./main.go:5 (hits goroutine(5):1 total:1) (PC: 0x46232a)
1: package main
2:
3: import "time"
4:
=> 5: func gpm() {
6: print("hello runtime")
7: }
8:
9: func main() {
10: go gpm()
(dlv) disass
TEXT main.gpm(SB) /root/go/src/foundation/gpm/main.go
main.go:5 0x462320 493b6610 cmp rsp, qword ptr [r14+0x10]
main.go:5 0x462324 762a jbe 0x462350
main.go:5 0x462326 55 push rbp
main.go:5 0x462327 4889e5 mov rbp, rsp
=> main.go:5 0x46232a* 4883ec10 sub rsp, 0x10
main.go:6 0x46232e e82d28fdff call $runtime.printlock
...
main.go:5 0x462350 e8abb1ffff call $runtime.morestack_noctxt
main.go:5 0x462355 ebc9 jmp $main.gpm
在 main.gpm 栈中，首先执行 cmp rsp, qword ptr [r14+0x10] 指令，这个指令的意思是将当前栈的栈顶和 [r14+0x10] 比较，[r14+0x10] 就是 goroutine 的 stackguard0 值。如果 rsp 大于 g.stackguard0 表示栈容量是足够的，如果小于 g.stackguard0 表示栈空间不足，需要执行 jbe 0x462350 跳转指令，调用 call $runtime.morestack_noctxt 扩栈。
这里如果 goroutine 是要被抢占的，那么 g.stackguard0 将被 sysmon 设置成很大的值。goroutine（中的函数） 在调用时，会执行 cmp rsp, qword ptr [r14+0x10] 指令比较栈顶指针和 g.stackguard0。因为栈顶 rsp 肯定小于 g.stackguard0，调用 call $runtime.morestack_noctxt 扩栈。
// morestack but not preserving ctxt.
TEXT runtime·morestack_noctxt(SB),NOSPLIT,$0
MOVL $0, DX
JMP runtime·morestack(SB)
TEXT runtime·morestack(SB),NOSPLIT|NOFRAME,$0-0
...
// runtime.morestack 内容很多，这里只挑重点和抢占相关的 runtime.newstack 介绍
BL runtime·newstack(SB)
...
进入 runtime.newstack：
func newstack() {
thisg := getg()
...
gp := thisg.m.curg
...
stackguard0 := atomic.Loaduintptr(&gp.stackguard0)
preempt := stackguard0 == stackPreempt // 如果 gp.stackguard0 == stackPreempt，则设置抢占标志 preempt == true
if preempt {
if !canPreemptM(thisg.m) { // 判断是否可以抢占
// Let the goroutine keep running for now.
// gp->preempt is set, so it will be preempted next time.
gp.stackguard0 = gp.stack.lo + stackGuard // 如果不能抢占，恢复 gp.stackguard0 为正常值
gogo(&gp.sched) // never return // gogo 执行 goroutine
}
}
...
if preempt { // 执行到这里，说明 goroutine 是可以抢占的，再次判断抢占标志是否为 true
if gp == thisg.m.g0 {
throw("runtime: preempt g0")
}
if thisg.m.p == 0 && thisg.m.locks == 0 {
throw("runtime: g is running but p is not")
}
...
if gp.preemptStop { // 判断抢占类型是否是 preemptStop，这个类型和 GC 有关，这里我们不讨论
preemptPark(gp) // never returns
}
// Act like goroutine called runtime.Gosched.
gopreempt_m(gp) // never return // 重点看 gopreempt_m 进行的抢占
}
...
}
newstack 会执行抢占逻辑，如注释所示，经过层层执行，调用 gopreempt_m 抢占运行时间过长的 goroutine：
func gopreempt_m(gp *g) {
goschedImpl(gp)
}
func goschedImpl(gp *g) {
status := readgstatus(gp) // 获取 goroutine 的状态
if status&^_Gscan != _Grunning {
dumpgstatus(gp)
throw("bad g status")
}
casgstatus(gp, _Grunning, _Grunnable) // 这时候 goroutine 还是运行的，更新 goroutine 的状态为 _Grunnable
dropg() // 调用 dropg 解除线程和 goroutine 的绑定
lock(&sched.lock)
globrunqput(gp) // 将 goroutine 放到全局可运行队列中，因为 goroutine 运行时间够长了，不会放到 P 的本地队列中，这也是一种惩罚机制吧
unlock(&sched.lock)
schedule() // 线程再次进入调度逻辑，运行下一个 _Grunnable 的 goroutine
}
至此，我们知道对于运行时间过长的 goroutine 是怎么抢占的。
再次梳理下执行流程：
sysmon监控线程发现运行时间过长的 goroutine，将 goroutine 的 stackguard0 更新为一个比任何栈都大的 stackPreempt 值- 当线程进行函数调用时，会比较栈顶 rsp 和 g.stackguard0 检查 goroutine 栈的栈空间。
- 因为更新了 goroutine 栈的
stackguard0，线程会走到扩展逻辑，进入根据 preempt 标志位，执行对应的抢占调度。
2. 小结
本讲介绍了 sysmon 线程，顺着 sysmon 线程介绍了抢占运行时间过长的 goroutine 的实现方式。下一讲会继续介绍 sysmon 线程和抢占系统调用时间过长的 goroutine。
