[golang学习2]Golang的runtime学习1

Golang的runtime学习1

最近在学习Go语言开发的过程中，对涉及到Go Runtime的运行机制，故找了一些资料进行学习。

什么是Golang的runtime

先来看个go程序架构图：

golang程序并没有像java一样自带虚拟机，而是和c类似。
每一个go程序都带有一个runtime，runtime负责和底层操作系统交互。这使得go语言运行效率理论上会比java、python高。

runtime包含Go运行时的系统交互的操作，例如控制goruntine的功能。还有debug，pprof进行排查问题和运行时性能分析，tracer来抓取异常事件信息，如 goroutine的创建，加锁解锁状态，系统调用进入推出和锁定还有GC（垃圾回收）相关的事件，堆栈大小的改变以及进程的退出和开始事件等等；race进行竞态关系检查以及CGO的实现。总的来说运行时是调度器和GC.

scheduler(调度器)

首先说到调度，对于CPU时间片的调度，是系统的资源分配策略，如任务A在执行完后，选择哪个任务来执行，使得某个因素（如进程总执行时间，或者磁盘寻道时间等）最小，达到最优的服务。这就是调度关注的问题。那么Go的运行时的scheduler是什么呢？是Go自己的scheduler，但OS内核已经有一个线程（进程）scheduler了，我们为什么需要它呢？

我们知道线程有自己的信号掩码，上下文环境以及各种控制信息等，但这些很多特征对于Go程序本身来说并不关心， 而且context上下文切换的耗时费时费力费资源，更重要的是GC的原因，也是本文下部分说的，就是Go的垃圾回收需要stop the world，所有的goroutine停止，才能使得内存保持在一个一致的状态。垃圾回收的时间会根据内存情况变化是不确定的，如果我们没有自己的scheduler我们交给了OS自己的scheduler，我们就失去了控制，并且会有大量的线程需要停止工作。所以Go就需要自己单独的开发一个自己使用的调度器，能够自己管理goruntines，并且知道在什么时候内存状态是一致的，也就是说，对于OS而言运行时只需要为当时正在CPU核上运行的那个线程等待即可，而不是等待所有的线程。

每一个Go程序都附带一个runtime，runtime负责与底层操作系统交互，也都会有scheduler对goruntines进行调度。在scheduler中有三个非常重要的概念：P，M，G。

查看源码/src/runtime/proc.go我们可以看到注释：

// Goroutine scheduler
// The scheduler's job is to distribute ready-to-run goroutines over worker threads.
//
// The main concepts are:
// G - goroutine.
// M - worker thread, or machine.
// P - processor, a resource that is required to execute Go code.
//     M must have an associated P to execute Go code, however it can be
//     blocked or in a syscall w/o an associated P.
//
// Design doc at https://golang.org/s/go11sched.

我们也看下Go程序的启动流程：

// The bootstrap sequence is:
//
//	call osinit
//	call schedinit
//	make & queue new G
//	call runtime·mstart
//
// The new G calls runtime·main.

那么scheduler究竟解决了什么问题并如何管理goruntines呢？

想要自己解决调度，避不开一个问题那就是栈的管理，也就是说每个goroutine都有自己的栈，在创建goroutine时，就要同时创建对应的栈。那么可知goroutine在执行时，栈空间会不停增长。 栈通常是连续增长的，每个进程中的各个线程共享虚拟内存空间，当有多个线程时，就需要为每个线程分配不同起始地址的栈，这就需要在分配栈之前先预估每个线程栈的大小。为了解决这个问题，就有了Split Stacks技术： 创建栈时，只分配一块比较小的内存，如果进行某次函数调用导致栈空间不足时，就会在其他地方分配一块新的栈空间。 新的空间不需要和老的栈空间连续。函数调用的参数会拷贝到新的栈空间中，接下来的函数执行都在新栈空间中进行。runtime的栈管理方式与此类似，但是为了更高的效率，使用了连续栈 （Golang连续栈） 实现方式也是先分配一块固定大小的栈，在栈空间不足时，分配一块更大的栈，并把旧的栈全部拷贝到新栈中，这样避免了Split Stacks方法可能导致的频繁内存分配和释放。

既然要调度那么肯定要有自己的调度策略了，go使用抢占式调度，goroutine的执行是可以被抢占的。如果一个goroutine一直占用CPU，长时间没有被调度过， 就会被runtime抢占掉，把CPU时间交给其他goroutine。详见：Go Preemptive Scheduler Design Doc runtime.在程序启动时，会自动创建一个系统线程，运行sysmon()函数， sysmon()函数在整个程序生命周期中一直执行，负责监视各个Goroutine的状态、判断是否要进行垃圾回收等，sysmon()会调用retake()函数，retake()函数会遍历所有的P，如果一个P处于执行状态， 且已经连续执行了较长时间，就会被抢占。

然后retake()调用preemptone()将P的stackguard0设为stackPreempt，这将导致该P中正在执行的G进行下一次函数调用时， 导致栈空间检查失败，进而触发morestack()，在goschedImpl()函数中，会通过调用dropg()将G与M解除绑定；再调用globrunqput()将G加入全局runnable队列中；最后调用schedule() 来用为当前P设置新的可执行的G。

如上图：go function 即可启动一个goroutine，所以每go出去一个语句被执行，runqueue队列就在其末尾加入一个goroutine，并在下一个调度点，就从runqueue中取出，一个goroutine执行。同时每个P可以转而投奔另一个OS线程，保证有足够的线程来运行所以的context P，也就是说goruntine可以在合适时机在多个OS线程间切换，也可以一直在一个线程，这由调度器决定。

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