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描述 scheduler 的初始化过程

上一节我们说完了 GPM 结构体，这一讲，我们来研究 Go sheduler 结构体，以及整个调度器的初始化过程。

Go scheduler 在源码中的结构体为 schedt，保存调度器的状态信息、全局的可运行 G 队列等。源码如下：

// 保存调度器的信息
type schedt struct {
    // accessed atomically. keep at top to ensure alignment on 32-bit systems.
    // 需以原子访问访问。
    // 保持在 struct 顶部，以使其在 32 位系统上可以对齐
    goidgen  uint64
    lastpoll uint64

    lock mutex

    // 由空闲的工作线程组成的链表
    midle        muintptr // idle m's waiting for work
    // 空闲的工作线程数量
    nmidle       int32    // number of idle m's waiting for work
    // 空闲的且被 lock 的 m 计数
    nmidlelocked int32    // number of locked m's waiting for work
    // 已经创建的工作线程数量
    mcount       int32    // number of m's that have been created
    // 表示最多所能创建的工作线程数量
    maxmcount    int32    // maximum number of m's allowed (or die)

    // goroutine 的数量，自动更新
    ngsys uint32 // number of system goroutines; updated atomically

    // 由空闲的 p 结构体对象组成的链表
    pidle      puintptr // idle p's
    // 空闲的 p 结构体对象的数量
    npidle     uint32
    nmspinning uint32 // See "Worker thread parking/unparking" comment in proc.go.

    // Global runnable queue.
    // 全局可运行的 G队列
    runqhead guintptr // 队列头
    runqtail guintptr // 队列尾
    runqsize int32 // 元素数量

    // Global cache of dead G's.
    // dead G 的全局缓存
    // 已退出的 goroutine 对象，缓存下来
    // 避免每次创建 goroutine 时都重新分配内存
    gflock       mutex
    gfreeStack   *g
    gfreeNoStack *g
    // 空闲 g 的数量
    ngfree       int32

    // Central cache of sudog structs.
    // sudog 结构的集中缓存
    sudoglock  mutex
    sudogcache *sudog

    // Central pool of available defer structs of different sizes.
    // 不同大小的可用的 defer struct 的集中缓存池
    deferlock mutex
    deferpool [5]*_defer

    gcwaiting  uint32 // gc is waiting to run
    stopwait   int32
    stopnote   note
    sysmonwait uint32
    sysmonnote note

    // safepointFn should be called on each P at the next GC
    // safepoint if p.runSafePointFn is set.
    safePointFn   func(*p)
    safePointWait int32
    safePointNote note

    profilehz int32 // cpu profiling rate

    // 上次修改 gomaxprocs 的纳秒时间
    procresizetime int64 // nanotime() of last change to gomaxprocs
    totaltime      int64 // ∫gomaxprocs dt up to procresizetime
}

在程序运行过程中，schedt 对象只有一份实体，它维护了调度器的所有信息。

在 proc.go 和 runtime2.go 文件中，有一些很重要全局的变量，我们先列出来：

在程序初始化时，这些全局变量都会被初始化为零值：指针被初始化为 nil 指针，切片被初始化为 nil 切片，int 被初始化为 0，结构体的所有成员变量按其类型被初始化为对应的零值。

因此程序刚启动时 allgs，allm 和allp 都不包含任何 g，m 和 p。

不仅是 Go 程序，系统加载可执行文件大概都会经过这几个阶段：

  1. 从磁盘上读取可执行文件，加载到内存

  2. 创建进程和主线程

  3. 为主线程分配栈空间

  4. 把由用户在命令行输入的参数拷贝到主线程的栈

  5. 把主线程放入操作系统的运行队列等待被调度

上面这段描述，来自公众号“ go语言核心编程技术”的调度系列教程。

我们从一个 Hello World 的例子来回顾一下 Go 程序初始化的过程：

在项目根目录下执行：

-gcflags "-N -l" 是为了关闭编译器优化和函数内联，防止后面在设置断点的时候找不到相对应的代码位置。

得到了可执行文件 hello，执行：

进入 gdb 调试模式，执行 info files，得到可执行文件的文件头，列出了各种段：

gdb info

同时，我们也得到了入口地址：0x450e20。

这就是 Go 程序的入口地址，我是在 linux 上运行的，所以入口文件为 src/runtime/rt0_linux_amd64.s，runtime 目录下有各种不同名称的程序入口文件，支持各种操作系统和架构，代码为：

主要是把 argc，argv 从内存拉到了寄存器。这里 LEAQ 是计算内存地址，然后把内存地址本身放进寄存器里，也就是把 argv 的地址放到了 SI 寄存器中。最后跳转到：

继续跳转到 runtime·rt0_go(SB)，完成 go 启动时所有的初始化工作。位于 /usr/local/go/src/runtime/asm_amd64.s，代码：

这段代码完成之后，整个 Go 程序就可以跑起来了，是非常核心的代码。这一讲其实只讲到了第 80 行，也就是调度器初始化函数：

schedinit 函数返回后，调度器的相关参数都已经初始化好了，犹如盘古开天辟地，万事万物各就其位。接下来详细解释上面的汇编代码。

调整 SP

第一段代码，将 SP 调整到了一个地址是 16 的倍数的位置：

先是将 SP 减掉 39，也就是向下移动了 39 个 Byte，再进行与运算。

15 的二进制低四位是全 1：1111，其他位都是 0；取反后，变成了 0000，高位则是全 1。这样，与 SP 进行了与运算后，低 4 位变成了全 0，高位则不变。因此 SP 继续向下移动，并且这回是在一个地址值为 16 的倍数的地方，16 字节对齐的地方。

为什么要这么做？画一张图就明白了。不过先得说明一点，前面 _rt0_amd64_linux 函数里讲过，DI 里存的是 argc 的值，8 个字节，而 SI 里则存的是 argv 的地址，8 个字节。

SP 内存对齐]
SP 内存对齐

上面两张图中，左侧用箭头标注了 16 字节对齐的位置。第一步表示向下移动 39 B，第二步表示与 ~15 相与。

存在两种情况，这也是第一步将 SP 下移的时候，多移了 7 个 Byte 的原因。第一张图里，与 ~15 相与的时候，SP 值减少了 1，第二张图则减少了 9。最后都是移位到了 16 字节对齐的位置。

两张图的共同点是 SP 与 argc 中间多出了 16 个字节的空位。这个后面应该会用到，我们接着探索。

至于为什么进行 16 个字节对齐，就比较好理解了：因为 CPU 有一组 SSE 指令，这些指令中出现的内存地址必须是 16 的倍数。

初始化 g0 栈

接着往后看，开始初始化 g0 的栈了。g0 栈的作用就是为运行 runtime 代码提供一个“环境”。

代码 L2 把 g0 的地址存入 DI 寄存器；L4 将 SP 下移 (64K-104)B，并将地址存入 BX 寄存器；L6 将 BX 里存储的地址赋给 g0.stackguard0；L8，L10，L12 分别 将 BX 里存储的地址赋给 g0.stackguard1， g0.stack.lo， g0.stack.hi。

这部分完成之后，g0 栈空间如下图：

g0 栈空间

主线程绑定 m0

接着往下看，中间我们省略了很多检查 CPU 相关的代码，直接看主线程绑定 m0 的部分：

因为 m0 是全局变量，而 m0 又要绑定到工作线程才能执行。我们又知道，runtime 会启动多个工作线程，每个线程都会绑定一个 m0。而且，代码里还得保持一致，都是用 m0 来表示。这就要用到线程本地存储的知识了，也就是常说的 TLS（Thread Local Storage）。简单来说，TLS 就是线程本地的私有的全局变量。

一般而言，全局变量对进程中的多个线程同时可见。进程中的全局变量与函数内定义的静态（static）变量，是各个线程都可以访问的共享变量。一个线程修改了，其他线程就会“看见”。要想搞出一个线程私有的变量，就需要用到 TLS 技术。

如果需要在一个线程内部的各个函数调用都能访问、但其它线程不能访问的变量（被称为 static memory local to a thread，线程局部静态变量），就需要新的机制来实现。这就是 TLS。

继续来看源码，L3 将 m0.tls 地址存储到 DI 寄存器，再调用 settls 完成 tls 的设置，tls 是 m 结构体中的一个数组。

设置 tls 的函数 runtime·settls(SB) 位于源码 src/runtime/sys_linux_amd64.s 处，主要内容就是通过一个系统调用将 fs 段基址设置成 m.tls[1] 的地址，而 fs 段基址又可以通过 CPU 里的寄存器 fs 来获取。

而每个线程都有自己的一组 CPU 寄存器值，操作系统在把线程调离 CPU 时会帮我们把所有寄存器中的值保存在内存中，调度线程来运行时又会从内存中把这些寄存器的值恢复到 CPU。

这样，工作线程代码就可以通过 fs 寄存器来找到 m.tls。

关于 settls 这个函数的解析可以去看阿波张的教程第 12 篇，写得很详细。

设置完 tls 之后，又来了一段验证上面 settls 是否能正常工作。如果不能，会直接 crash。

第一行代码，获取 tls，get_tls(BX) 的代码由编译器生成，源码中并没有看到，可以理解为将 m.tls 的地址存入 BX 寄存器。

L2 将一个数 0x123 放入 m.tls[0] 处，L3 则将 m.tls[0] 处的数据取出来放到 AX 寄存器，L4 则比较两者是否相等。如果相等，则跳过 L6 行的代码，否则执行 L6，程序 crash。

继续看代码：

L3 将 m.tls 地址存入 BX；L5 将 g0 的地址存入 CX；L7 将 CX，也就是 g0 的地址存入 m.tls[0]；L9 将 m0 的地址存入 AX；L13 将 g0 的地址存入 m0.g0；L16 将 m0 存入 g0.m。也就是：

代码中寄存器前面的符号看着比较奇怪，其实它们最后会被链接器转化为偏移量。

看曹大 golang_notes 用 gobuf_sp(BX) 这个例子讲的：

这种写法在标准 plan9 汇编中只是个 symbol，没有任何偏移量的意思，但这里却用名字来代替了其偏移量，这是怎么回事呢？

实际上这是 runtime 的特权，是需要链接器配合完成的，再来看看 gobuf 在 runtime 中的 struct 定义开头部分的注释:

// The offsets of sp, pc, and g are known to (hard-coded in) libmach.

对于我们而言，这种写法读起来比较容易。

这一段执行完之后，就把 m0，g0，m.tls[0] 串联起来了。通过 m.tls[0] 可以找到 g0，通过 g0 可以找到 m0（通过 g 结构体的 m 字段）。并且，通过 m 的字段 g0，m0 也可以找到 g0。于是，主线程和 m0，g0 就关联起来了。

从这里还可以看到，保存在主线程本地存储中的值是 g0 的地址，也就是说工作线程的私有全局变量其实是一个指向 g 的指针而不是指向 m 的指针。

目前这个指针指向g0，表示代码正运行在 g0 栈。

于是，前面的图又增加了新的玩伴 m0：

工作线程绑定 m0，g0

初始化 m0

L1-L2 将 16(SP) 处的内容移动到 0(SP)，也就是栈顶，通过前面的图，16(SP) 处的内容为 argc；L3-L4 将 argv 存入 8(SP)，接下来调用 runtime·args 函数，处理命令行参数。

接着，连续调用了两个 runtime 函数。osinit 函数初始化系统核心数，将全局变量 ncpu 初始化的核心数，schedinit 则是本文的核心：调度器的初始化。

下面，我们来重点看 schedinit 函数：

这个函数开头的注释很贴心地把 Go 程序初始化的过程又说了一遍：

  1. call osinit。初始化系统核心数。

  2. call schedinit。初始化调度器。

  3. make & queue new G。创建新的 goroutine。

  4. call runtime·mstart。调用 mstart，启动调度。

  5. The new G calls runtime·main。在新的 goroutine 上运行 runtime.main 函数。

函数首先调用 getg() 函数获取当前正在运行的 g，getg() 在 src/runtime/stubs.go 中声明，真正的代码由编译器生成。

注释里也说了，getg 返回当前正在运行的 goroutine 的指针，它会从 tls 里取出 tls[0]，也就是当前运行的 goroutine 的地址。编译器插入类似下面的代码：

继续往下看：

设置最多只能创建 10000 个工作线程。

然后，调用了一堆 init 函数，初始化各种配置，现在不去深究。只关心本小节的重点，m0 的初始化：

因为 sched 是一个全局变量，多个线程同时操作 sched 会有并发问题，因此先要加锁，操作结束之后再解锁。

可以看到，m0 的 id 是 0，并且之后创建的 m 的 id 是递增的。checkmcount() 函数检查已创建系统线程是否超过了数量限制（10000）。

将 m 挂到全局变量 allm 上，allm 是一个指向 m 的的指针。

这一行将 allm 变成 m 的地址，这样变成了一个循环链表。之后再新建 m 的时候，新 m 的 alllink 就会指向本次的 m，最后 allm 又会指向新创建的 m。

m.alllink 形成链表

上图中，1 将 m0 挂在 allm 上。之后，若新创建 m，则 m1 会和 m0 相连。

完成这些操作后，大功告成！解锁。

初始化 allp

跳过一些其他的初始化代码，继续往后看：

这里就是设置 procs，它决定创建 P 的数量。ncpu 这里已经被赋上了系统的核心数，因此代码里不设置 GOMAXPROCS 也是没问题的。这里还限制了 procs 的最大值，为 1024。

来看最后一个核心的函数：

代码比较长，这个函数不仅是初始化的时候会执行到，在中途改变 procs 的值的时候，仍然会调用它。所有存在很多一般不用关心的代码，因为一般不会在中途重新设置 procs 的值。我把初始化无关的代码删掉了，这样会更清晰一些。

函数先是从堆上创建了 nproc 个 P，并且把 P 的状态设置为 _Pgcstop，现在全局变量 allp 里就维护了所有的 P。

接着，调用函数 acquirep 将 p0 和 m0 关联起来。我们来详细看一下：

先调用 acquirep1 函数真正地进行关联，之后，将 p0 的 mcache 资源赋给 m0。再来看 acquirep1：

可以看到就是一些字段相互设置，执行完成后：

并且，p0 的状态变成了 _Prunning。

接下来是一个循环，它将除了 p0 的所有非空闲的 P，放入 P 链表 runnablePs，并返回给 procresize 函数的调用者，并由调用者来“调度”这些 P。

函数 runqempty 用来判断一个 P 是否是空闲，依据是 P 的本地 run queue 队列里有没有 runnable 的 G，如果没有，那 P 就是空闲的。

并不是简单地判断 head == tail 并且 runnext == nil 为真，就可以说明 runq 是空的。因为涉及到一些数据竞争，例如在比较 head == tail 时为真，但此时 runnext 上其实有一个 G，之后再去比较 runnext == nil 的时候，这个 G 又通过 runqput跑到了 runq 里去了或者通过 runqget 拿走了，runnext 也为真，于是函数就判断这个 P 是空闲的，这就会形成误判。

因此 runqempty 函数先是通过原子操作取出了 head，tail，runnext，然后再次确认 tail 没有发生变化，最后再比较 head == tail 以及 runnext == nil，保证了在观察三者都是在“同时”观察到的，因此，返回的结果就是正确的。

说明一下，runnext 上有时会绑定一个 G，这个 G 是被当前 G 唤醒的，相比其他 G 有更高的执行优先级，因此把它单独拿出来。

函数的最后，初始化了一个“随机分配器”：

将来有些 m 去偷工作的时候，会遍历所有的 P，这时为了偷地随机一些，就会用到 stealOrder 来返回一个随机选择的 P，后面的文章会再讲。

这样，整个 procresize 函数就讲完了，这也意味着，调度器的初始化工作已经完成了。

还是引用阿波张公号文章里的总结，写得太好了，很简洁，很难再优化了：

  1. 使用 make([]p, nprocs) 初始化全局变量 allp，即 allp = make([]p, nprocs)

  2. 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

  3. 把 m0 和 allp[0] 绑定在一起，即 m0.p = allp[0]，allp[0].m = m0

  4. 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

说明一下，最后一步，代码里是将所有空闲的 P 放入到调度器的全局空闲队列；对于非空闲的 P（本地队列里有 G 待执行），则是生成一个 P 链表，返回给 procresize 函数的调用者。

最后我们将 allp 和 allm 都添加到图上：

g0-p0-m0

参考资料

【阿波张 goroutine 调度器初始化】https://mp.weixin.qq.com/s/W9D4Sl-6jYfcpczzdPfByQ

Previousgoroutine 如何退出Next什么是workstealing

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