Go语言并发模型 G源码分析

Go 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：

• _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。

• _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
}

• waitsince G 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）。
• gcscandone g 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。
startpc go 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。

参考资料：

1. go语言教程
2. Go语言深入剖析