schedule 循环如何启动
上一讲新创建了一个 goroutine,设置好了 sched 成员的 sp 和 pc 字段,并且将其添加到了 p0 的本地可运行队列,坐等调度器的调度。
我们继续看代码。搞了半天,我们其实还在 runtime·rt0_go 函数里,执行完 runtime·newproc(SB) 后,两条 POP 指令将之前为调用它构建的参数弹出栈。好消息是,最后就只剩下一个函数了:
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// start this M
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// 主线程进入调度循环,运行刚刚创建的 goroutine
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CALL runtime·mstart(SB)
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这到达了本系列的核心区,前面铺垫了半天,调度器终于要开始运转了。
mstart 函数设置了 stackguard0 和 stackguard1 字段后,就直接调用 mstart1() 函数:
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func mstart1() {
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// 启动过程时 _g_ = m0.g0
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_g_ := getg()
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if _g_ != _g_.m.g0 {
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throw("bad runtime·mstart")
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}
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// Record top of stack for use by mcall.
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// Once we call schedule we're never coming back,
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// so other calls can reuse this stack space.
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//
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// 一旦调用 schedule() 函数,永不返回
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// 所以栈帧可以被复用
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gosave(&_g_.m.g0.sched)
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_g_.m.g0.sched.pc = ^uintptr(0) // make sure it is never used
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asminit()
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minit()
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// ……………………
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// 执行启动函数。初始化过程中,fn == nil
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if fn := _g_.m.mstartfn; fn != nil {
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fn()
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}
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if _g_.m.helpgc != 0 {
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_g_.m.helpgc = 0
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stopm()
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} else if _g_.m != &m0 {
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acquirep(_g_.m.nextp.ptr())
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_g_.m.nextp = 0
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}
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// 进入调度循环。永不返回
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schedule()
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}
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调用 gosave 函数来保存调度信息到 g0.sched 结构体,来看源码:
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// void gosave(Gobuf*)
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// save state in Gobuf; setjmp
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TEXT runtime·gosave(SB), NOSPLIT, $0-8
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// 将 gobuf 赋值给 AX
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MOVQ buf+0(FP), AX // gobuf
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// 取参数地址,也就是 caller 的 SP
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LEAQ buf+0(FP), BX // caller's SP
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// 保存 caller's SP,再次运行时的栈顶
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MOVQ BX, gobuf_sp(AX)
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MOVQ 0(SP), BX // caller's PC
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// 保存 caller's PC,再次运行时的指令地址
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MOVQ BX, gobuf_pc(AX)
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MOVQ $0, gobuf_ret(AX)
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MOVQ BP, gobuf_bp(AX)
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// Assert ctxt is zero. See func save.
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MOVQ gobuf_ctxt(AX), BX
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TESTQ BX, BX
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JZ 2(PC)
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CALL runtime·badctxt(SB)
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// 获取 tls
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get_tls(CX)
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// 将 g 的地址存入 BX
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MOVQ g(CX), BX
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// 保存 g 的地址
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MOVQ BX, gobuf_g(AX)
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RET
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主要是设置了 g0.sched.sp 和 g0.sched.pc,前者指向 mstart1 函数栈上参数的位置,后者则指向 gosave 函数返回后的下一条指令。如下图:
调用 gosave 函数后
图中 sched.pc 并不直接指向返回地址,所以图中的虚线并没有箭头。
接下来,进入 schedule 函数,永不返回。
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// 执行一轮调度器的工作:找到一个 runnable 的 goroutine,并且执行它
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// 永不返回
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func schedule() {
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// _g_ = 每个工作线程 m 对应的 g0,初始化时是 m0 的 g0
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_g_ := getg()
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// ……………………
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top:
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// ……………………
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var gp *g
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var inheritTime bool
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// ……………………
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if gp == nil {
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// Check the global runnable queue once in a while to ensure fairness.
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// Otherwise two goroutines can completely occupy the local runqueue
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// by constantly respawning each other.
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// 为了公平,每调用 schedule 函数 61 次就要从全局可运行 goroutine 队列中获取
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if _g_.m.p.ptr().schedtick%61 == 0 && sched.runqsize > 0 {
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lock(&sched.lock)
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// 从全局队列最大获取 1 个 gorutine
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gp = globrunqget(_g_.m.p.ptr(), 1)
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unlock(&sched.lock)
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}
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}
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// 从 P 本地获取 G 任务
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if gp == nil {
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gp, inheritTime = runqget(_g_.m.p.ptr())
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if gp != nil && _g_.m.spinning {
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throw("schedule: spinning with local work")
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}
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}
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if gp == nil {
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// 从本地运行队列和全局运行队列都没有找到需要运行的 goroutine,
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// 调用 findrunnable 函数从其它工作线程的运行队列中偷取,如果偷不到,则当前工作线程进入睡眠
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// 直到获取到 runnable goroutine 之后 findrunnable 函数才会返回。
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gp, inheritTime = findrunnable() // blocks until work is available
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}
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// This thread is going to run a goroutine and is not spinning anymore,
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// so if it was marked as spinning we need to reset it now and potentially
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// start a new spinning M.
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if _g_.m.spinning {
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resetspinning()
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}
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if gp.lockedm != nil {
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// Hands off own p to the locked m,
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// then blocks waiting for a new p.
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startlockedm(gp)
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goto top
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}
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// 执行 goroutine 任务函数
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// 当前运行的是 runtime 的代码,函数调用栈使用的是 g0 的栈空间
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// 调用 execute 切换到 gp 的代码和栈空间去运行
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execute(gp, inheritTime)
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}
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调用 runqget,从 P 本地可运行队列先选出一个可运行的 goroutine;为了公平,调度器每调度 61 次的时候,都会尝试从全局队列里取出待运行的 goroutine 来运行,调用 globrunqget;如果还没找到,就要去其他 P 里面去偷一些 goroutine 来执行,调用 findrunnable 函数。
经过千辛万苦,终于找到了可以运行的 goroutine,调用 execute(gp, inheritTime) 切换到选出的 goroutine 栈执行,调度器的调度次数会在这里更新,源码如下:
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// 调度 gp 在当前 M 上运行
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// 如果 inheritTime 为真,gp 执行当前的时间片
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// 否则,开启一个新的时间片
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//
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//go:yeswritebarrierrec
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func execute(gp *g, inheritTime bool) {
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// g0
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_g_ := getg()
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// 将 gp 的状态改为 running
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casgstatus(gp, _Grunnable, _Grunning)
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gp.waitsince = 0
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gp.preempt = false
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gp.stackguard0 = gp.stack.lo + _StackGuard
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if !inheritTime {
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// 调度器调度次数增加 1
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_g_.m.p.ptr().schedtick++
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}
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// 将 gp 和 m 关联起来
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_g_.m.curg = gp
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gp.m = _g_.m
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// …………………………
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// gogo 完成从 g0 到 gp 真正的切换
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// CPU 执行权的转让以及栈的切换
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// 执行流的切换从本质上来说就是 CPU 寄存器以及函数调用栈的切换,
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// 然而不管是 go 还是 c 这种高级语言都无法精确控制 CPU 寄存器的修改,
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// 因而高级语言在这里也就无能为力了,只能依靠汇编指令来达成目的
31
gogo(&gp.sched)
32
}
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将 gp 的状态改为 _Grunning,将 m 和 gp 相互关联起来。最后,调用 gogo 完成从 g0 到 gp 的切换,CPU 的执行权将从 g0 转让到 gp。 gogo 函数用汇编语言写成,原因如下:
gogo 函数也是通过汇编语言编写的,这里之所以需要使用汇编,是因为 goroutine 的调度涉及不同执行流之间的切换。
前面我们在讨论操作系统切换线程时已经看到过,执行流的切换从本质上来说就是 CPU 寄存器以及函数调用栈的切换,然而不管是 go 还是 c 这种高级语言都无法精确控制 CPU 寄存器,因而高级语言在这里也就无能为力了,只能依靠汇编指令来达成目的。
继续看 gogo 函数的实现,传入 &gp.sched 参数,源码如下:
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TEXT runtime·gogo(SB), NOSPLIT, $16-8
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// 0(FP) 表示第一个参数,即 buf = &gp.sched
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MOVQ buf+0(FP), BX // gobuf
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// ……………………
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MOVQ buf+0(FP), BX
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nilctxt:
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// DX = gp.sched.g
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MOVQ gobuf_g(BX), DX
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MOVQ 0(DX), CX // make sure g != nil
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get_tls(CX)
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// 将 g 放入到 tls[0]
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// 把要运行的 g 的指针放入线程本地存储,这样后面的代码就可以通过线程本地存储
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// 获取到当前正在执行的 goroutine 的 g 结构体对象,从而找到与之关联的 m 和 p
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// 运行这条指令之前,线程本地存储存放的是 g0 的地址
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MOVQ DX, g(CX)
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// 把 CPU 的 SP 寄存器设置为 sched.sp,完成了栈的切换
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MOVQ gobuf_sp(BX), SP // restore SP
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// 恢复调度上下文到CPU相关寄存器
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MOVQ gobuf_ret(BX), AX
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MOVQ gobuf_ctxt(BX), DX
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MOVQ gobuf_bp(BX), BP
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// 清空 sched 的值,因为我们已把相关值放入 CPU 对应的寄存器了,不再需要,这样做可以少 GC 的工作量
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MOVQ $0, gobuf_sp(BX) // clear to help garbage collector
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MOVQ $0, gobuf_ret(BX)
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MOVQ $0, gobuf_ctxt(BX)
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MOVQ $0, gobuf_bp(BX)
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// 把 sched.pc 值放入 BX 寄存器
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MOVQ gobuf_pc(BX), BX
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// JMP 把 BX 寄存器的包含的地址值放入 CPU 的 IP 寄存器,于是,CPU 跳转到该地址继续执行指令
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JMP BX
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注释地比较详细了。核心的地方是:
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MOVQ gobuf_g(BX), DX
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// ……
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get_tls(CX)
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MOVQ DX, g(CX)
Copied!
第一行,将 gp.sched.g 保存到 DX 寄存器;第二行,我们见得已经比较多了,get_tls 将 tls 保存到 CX 寄存器,再将 gp.sched.g 放到 tls[0] 处。这样,当下次再调用 get_tls 时,取出的就是 gp,而不再是 g0,这一行完成从 g0 栈切换到 gp。
可能需要提一下的是,Go plan9 汇编中的一些奇怪的符号:
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MOVQ buf+0(FP), BX # &gp.sched --> BX
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FP 是个伪奇存器,前面加 0 表示是第一个寄存器,表示参数的位置,最前面的 buf 表示一个符号。关于 Go 汇编语言的一些知识,可以参考曹大在夜读上的分享和《Go 语言高级编程》的相关章节,地址见参考资料。
接下来,将 gp.sched 的相关成员恢复到 CPU 对应的寄存器。最重要的是 sched.sp 和 sched.pc,前者被恢复到了 SP 寄存器,后者被保存到 BX 寄存器,最后一条跳转指令跳转到新的地址开始执行。通过之前的文章,我们知道,这里保存的就是 runtime.main 函数的地址。
最终,调度器完成了这个值得铭记的时刻,从 g0 转到 gp,开始执行 runtime.main 函数。
用一张流程图总结一下从 g0 切换到 main goroutine 的过程:
从 g0 到 gp

参考资料

【go 语言核心编程技术 调度器系列】https://mp.weixin.qq.com/s/8eJm5hjwKXya85VnT4y8Cw
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参考资料