Go并发调度进阶-GMP初始化，最难啃的有时候耐心看完还是很简单的

Go并发调度进阶-【公粽号：堆栈future】

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2. GMP初始化

1. M的初始化

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M 只有自旋和非自旋两种状态。自旋的时候，会努力找工作；找不到的时候会进入非自旋状态，之后会休眠，直到有工作需要处理时，被其他工作线程唤醒，又进入自旋状态。

`// src/runtime/proc.go

func mcommoninit(mp *m, id int64) {
 g := getg()
 ...
 lock(&sched.lock)
 ...
 //random初始化，用于窃取 G
 mp.fastrand[0] = uint32(int64Hash(uint64(mp.id), fastrandseed))
 mp.fastrand[1] = uint32(int64Hash(uint64(cputicks()), ^fastrandseed))
 if mp.fastrand[0]|mp.fastrand[1] == 0 {
 mp.fastrand[1] = 1
 }
// 创建用于信号处理的gsignal，只是简单的从堆上分配一个g结构体对象,然后把栈设置好就返回了
 mpreinit(mp)
 if mp.gsignal != nil {
 mp.gsignal.stackguard1 = mp.gsignal.stack.lo + _StackGuard
 }
// 把 M 挂入全局链表allm之中
 mp.alllink = allm
 ...
 }` 

这里传入的 id 是-1，初次调用会将 id 设置为 0，这里并未对M0做什么关于调度相关的初始化，所以可以简单的认为这个函数只是把M0放入全局链表allm之中就返回了。当然这个M0就是主M。

2. P的初始化

image.gif

• 通常情况下（在程序运行时不调整 P 的个数），P 只会在上图中的四种状态下进行切换。当程序刚开始运行进行初始化时，所有的 P 都处于 _Pgcstop 状态， 随着 P 的初始化（runtime.procresize），会被置于 _Pidle。

• 当 M 需要运行时，会 runtime.acquirep 来使 P 变成 Prunning 状态，并通过 runtime.releasep 来释放。

• 当 G 执行时需要进入系统调用，P 会被设置为 _Psyscall， 如果这个时候被系统监控抢夺（runtime.retake），则 P 会被重新修改为 _Pidle。

• 如果在程序运行中发生 GC，则 P 会被设置为 _Pgcstop， 并在 runtime.startTheWorld 时重新调整为 _Prunning。

`var allp []*p

func procresize(nprocs int32) p {
 // 获取先前的 P 个数
 old := gomaxprocs
 // 更新统计信息
 now := nanotime()
 if sched.procresizetime != 0 {
 sched.totaltime += int64(old) * (now - sched.procresizetime)
 }
 sched.procresizetime = now
 // 根据 runtime.MAXGOPROCS 调整 p 的数量,因为 runtime.MAXGOPROCS 用户可以自行设定
 if nprocs > int32(len(allp)) {
 lock(&allpLock)
 if nprocs <= int32(cap(allp)) {
 allp = allp[:nprocs]
 } else {
 nallp := make([]p, nprocs)
 copy(nallp, allp[:cap(allp)])
 allp = nallp
 }
 unlock(&allpLock)
 }
// 初始化新的 P
 for i := old; i < nprocs; i++ {
 pp := allp[i]
 // 为空,则申请新的 P 对象
 if pp == nil {
 pp = new(p)
 }
 pp.init(i)
 atomicstorep(unsafe.Pointer(&allp[i]), unsafe.Pointer(pp))
 }
g := getg()
 // P 不为空,并且 id 小于 nprocs ,那么可以继续使用当前 P
 if g.m.p != 0 && g.m.p.ptr().id < nprocs {
 // continue to use the current P
 g.m.p.ptr().status = _Prunning
 g.m.p.ptr().mcache.prepareForSweep()
 } else {
 // 释放当前 P，因为已失效
 if g.m.p != 0 {
 g.m.p.ptr().m = 0
 }
 g.m.p = 0
 p := allp[0]
 p.m = 0
 p.status = _Pidle
 // P0 绑定到当前的 M0
 acquirep(p)
 }
 // 从未使用的 P 释放资源
 for i := nprocs; i < old; i++ {
 p := allp[i]
 p.destroy()
 // 不能释放 p 本身，因为他可能在 m 进入系统调用时被引用
 }
 // 释放完 P 之后重置allp的长度
 if int32(len(allp)) != nprocs {
 lock(&allpLock)
 allp = allp[:nprocs]
 unlock(&allpLock)
 }
 var runnablePs *p
 // 将没有本地任务的 P 放到空闲链表中
 for i := nprocs - 1; i >= 0; i-- {
 p := allp[i]
 // 当前正在使用的 P 略过
 if g.m.p.ptr() == p {
 continue
 }
 // 设置状态为 _Pidle
 p.status = _Pidle
 // P 的任务列表是否为空
 if runqempty(p) {
 // 放入到空闲列表中
 pidleput(p)
 } else {
 // 获取空闲 M 绑定到 P 上
 p.m.set(mget())
 //
 p.link.set(runnablePs)
 runnablePs = p
 }
 }
 stealOrder.reset(uint32(nprocs))
 var int32p int32 = &gomaxprocs // make compiler check that gomaxprocs is an int32
 atomic.Store((uint32)(unsafe.Pointer(int32p)), uint32(nprocs))
 return runnablePs
 }` 

procresize方法的执行过程如下：

1. allp 是全局变量 P 的资源池，如果 allp 的切片中的处理器数量少于期望数量，会对切片进行扩容；
2. 扩容的时候会使用 new 申请一个新的 P ，然后使用 init 初始化，需要注意的是初始化的 P 的 id 就是传入的 i 的值，状态为 _Pgcstop；
3. 然后通过 g.m.p 获取 M0，如果 M0 已与有效的 P 绑定上，则将 被绑定的 P 的状态修改为 _Prunning。否则获取 allp[0] 作为 P0 调用 runtime.acquirep 与 M0 进行绑定；
4. 超过处理器个数的 P 通过p.destroy释放资源，p.destroy会将与 P 相关的资源释放，并将 P 状态设置为 _Pdead；
5. 通过截断改变全局变量 allp 的长度保证与期望处理器数量相等；
6. 遍历 allp 检查 P 的是否处于空闲状态，是的话放入到空闲列表中；

3. G的初始化

image.gif

这是G的状态流转图，G的初始化相当复杂，需要大家下去对照源码再看一遍。

`func newproc(siz int32, fn *funcval) {
 //从 fn 的地址增加一个指针的长度，从而获取第一参数地址
 argp := add(unsafe.Pointer(&fn), sys.PtrSize)
 gp := getg()
 pc := getcallerpc() // 获取调用方 PC/IP 寄存器值

// 用 g0 系统栈创建 Goroutine 对象
 // 传递的参数包括 fn 函数入口地址, argp 参数起始地址, siz 参数长度, gp（g0），调用方 pc（goroutine）
 systemstack(func() {
 newg := newproc1(fn, argp, siz, gp, pc)
p := getg().m.p.ptr() //获取p
 runqput(p, newg, true) //并将其放入 P 本地队列的队头或全局队列
//检查空闲的 P，将其唤醒，准备执行 G，但我们目前处于初始化阶段，主 Goroutine 尚未开始执行，因此这里不会唤醒 P。
 if mainStarted {
 wakep()
 }
 })
 }
// 创建一个运行 fn 的新 g，具有 narg 字节大小的参数，从 argp 开始。
 // callerps 是 go 语句的起始地址。新创建的 g 会被放入 g 的队列中等待运行。
 func newproc1(fn *funcval, argp unsafe.Pointer, narg int32, callergp *g, callerpc uintptr) *g {
 g := getg()//因为是在系统栈运行所以此时的 g 为 g0
 acquirem() //禁止抢占
 if fn == nil {
 g.m.throwing = -1 // do not dump full stacks
 throw("go of nil func value")
 }
...
 siz := narg
 siz = (siz + 7) &^ 7
...
// 当前工作线程所绑定的 p
 // 初始化时 p = g0.m.p，也就是 p = allp[0]
 p := g.m.p.ptr()
 // 从 p 的本地缓冲里获取一个没有使用的 g，初始化时为空，返回 nil
 newg := gfget(p)
 if newg == nil {
 // 创建一个拥有 _StackMin 大小的栈的 g
 newg = malg(_StackMin)
 // 将新创建的 g 从 _Gidle 更新为 _Gdead 状态
 casgstatus(newg, _Gidle, _Gdead)
 // 将 Gdead 状态的 g 添加到 allg，这样 GC 不会扫描未初始化的栈
 allgadd(newg)
 }
 if newg.stack.hi == 0 {
 throw("newproc1: newg missing stack")
 }
if readgstatus(newg) != _Gdead {
 throw("newproc1: new g is not Gdead")
 }
...
 // 确定 sp 位置
 sp := newg.stack.hi - totalSize
 // 确定参数入栈位置
 spArg := sp
...
if narg > 0 {
 // 将参数从执行 newproc 函数的栈拷贝到新 g 的栈
 memmove(unsafe.Pointer(spArg), argp, uintptr(narg))
 ...
 }
// 设置newg的调度相关信息
 memclrNoHeapPointers(unsafe.Pointer(&newg.sched), unsafe.Sizeof(newg.sched))
 newg.sched.sp = sp
 newg.stktopsp = sp
 newg.sched.pc = funcPC(goexit) + sys.PCQuantum
 newg.sched.g = guintptr(unsafe.Pointer(newg))
 gostartcallfn(&newg.sched, fn)
 newg.gopc = callerpc
 newg.ancestors = saveAncestors(callergp)
 newg.startpc = fn.fn
 if g.m.curg != nil {
 newg.labels = g.m.curg.labels
 }
 if isSystemGoroutine(newg, false) {
 atomic.Xadd(&sched.ngsys, +1)
 }
// 设置 g 的状态为 _Grunnable，可以运行了
 casgstatus(newg, _Gdead, _Grunnable)
// 设置goid
 newg.goid = int64(p.goidcache)
 p.goidcache++
...
 releasem(g.m) //恢复抢占 本质上是加锁
 return newg
 }` 

创建 G 的过程也是相对比较复杂的，我们来总结一下这个过程：

1. 首先尝试从 P 本地 gfree 链表或全局 gfree 队列获取已经执行过的 g
2. 初始化过程中程序无论是本地队列还是全局队列都不可能获取到 g，因此创建一个新的 g，并为其分配运行线程（执行栈），这时 g 处于 _Gidle 状态
3. 创建完成后，g 被更改为 _Gdead 状态，并根据要执行函数的入口地址和参数，初始化执行栈的 SP 和参数的入栈位置，并将需要的参数拷贝一份存入执行栈中
4. 根据 SP、参数，在 g.sched 中保存 SP 和 PC 指针来初始化 g 的运行现场
5. 将调用方、要执行的函数的入口 PC 进行保存，并将 g 的状态更改为 _Grunnable
6. 给 Goroutine 分配 id，并将其放入 P 本地队列的队头或全局队列（初始化阶段队列肯定不是满的，因此不可能放入全局队列）
7. 检查空闲的 P，将其唤醒，准备执行 G，但我们目前处于初始化阶段，主 Goroutine 尚未开始执行，因此这里不会唤醒 P。

4. 小结

结合上篇GMP结构和这篇的初始化，那么对于GMP的调度我相信会有一定的理解，起码你知道了底层的一些点点滴滴，后续文章还会给大家继续讲解GMP调度，你坚持学习到最后发现，最难啃的GMP也就那么回事！