go-GMP 协程切换时机和协程实战

2023-11-30 22:15 由杨阳的技术博客发表于 #后端开发

当m在执行某个g的时候，g非常耗时，例如一个for循环，每次循环sleep1分钟，循环1000次。

这个例子看似无聊，却是很难解决的，成功的避开了2个系统切换时机。

如果这个时候，一直执行这个g，别的g就会得不到执行，例如有g是处理用户支付的，这样就会造成收钱不积极。

协程饥饿问题

本地队列

本地队列因为某个G一直占着M，导致其他G无法执行。

如果占用时间过长的这个G，能让出来M，让别的G也能执行，本地队列循环的着执行，就能解决这个问题。

全局队列

除了本地队列，全局队列也会有这个问题，如果一个新创建的g，放在全局队列中，而现有的p的本地队列都未执行完，则全局队列需要排队很久。

解决办法，每过一段时间，每个本地队列都先来全局队列中取1个，这样就能解决这个问题。

代码实现：

又到了findRunnable()

// Check the global runnable queue once in a while to ensure fairness.
if pp.schedtick%61 == 0 && sched.runqsize > 0 {
	lock(&sched.lock)
	gp := globrunqget(pp, 1)
	unlock(&sched.lock)
	if gp != nil {
		return gp, false, false
	}
}

这个优先级在本地队列之前。之前看过 globrunqget()中的逻辑，当max为1时候，就只会取一个。

每61次，就去全局队列中拿一个。

解决办法

协程因为独特的数据结构，能能够暂停的，之前协程的本质有介绍过，暂停后，让别的g也开始循环执行。

切换时机

主动挂起

业务方法主动调用gopark 然后，切换协程。

  源码在proc.go中
// Puts the current goroutine into a waiting state and calls unlockf on the
// 让当前的 g 进入 waiting的状态
func gopark(unlockf func(*g, unsafe.Pointer) bool, lock unsafe.Pointer, reason waitReason, traceReason traceBlockReason, traceskip int) {
	if reason != waitReasonSleep {
		checkTimeouts() // timeouts may expire while two goroutines keep the scheduler busy
	}
	mp := acquirem()
	gp := mp.curg
	status := readgstatus(gp)
	if status != _Grunning && status != _Gscanrunning {
		throw("gopark: bad g status")
	}
	mp.waitlock = lock
	mp.waitunlockf = unlockf
	gp.waitreason = reason
	mp.waitTraceBlockReason = traceReason
	mp.waitTraceSkip = traceskip
	releasem(mp)
	// can't do anything that might move the G between Ms here.
	mcall(park_m) // 切换到了 g0栈，前面讲过mcall
}

// park continuation on g0.
func park_m(gp *g) {
	mp := getg().m
	// 中间还有代码
	if fn := mp.waitunlockf; fn != nil {
		ok := fn(gp, mp.waitlock)
		mp.waitunlockf = nil
		mp.waitlock = nil
		if !ok {
			if traceEnabled() {
				traceGoUnpark(gp, 2)
			}
			casgstatus(gp, _Gwaiting, _Grunnable)
			execute(gp, true) // Schedule it back, never returns.
		}
	}
      schedule() //调了这个方法，之前讲过，一旦调用这个方法，就会给m找新的g
}

有个问题：gapark是小写的，程序员在编码中是使用不了的，那怎么让业务主动调用？

系统runtime里面很多方法有去调用，例如 time.Sleep、channel的等待等

系统调用完成时

在进行一些系统调用后，例如网络请求等会主动去调这个 exitsyscall() 这个方法，这个方法也会最终走到 schedule()

这个源码在 syscall_aix.go中，因为有好几层函数调用，就不贴出来了。

标记抢占基于 morestack

 1. 系统监控到 Goroutine 运行超过 10ms
 2. 将 g.stackguard0 置为 Oxfffffade

morestack() 方法，在函数跳转时候，会自动调用，本意是检测下新的函数，有没有足够的栈空间。

系统在这个函数中，去做了一部分协程切换的，防止一些耗时比较久的协程，不去触发上面两种方案。

看下源码：

// Called during function prolog when more stack is needed.
// record an argument size. For that purpose, it has no arguments.
TEXT runtime·morestack(SB),NOSPLIT,$0-0

  // 中间很多扩充栈空间的代码
    CALL	runtime·newstack(SB) // 跟进这个方法
	CALL	runtime·abort(SB)	// crash if newstack returns
	RET


// Goroutine preemption request.
// 0xfffffade in hex.
stackPreempt = uintptrMask & -1314

func newstack() {
 // 中间还有很多源码
  // 抢占标记   如果g的.stackguard0 字段被标记为抢占，就会触发下面的逻辑
  stackguard0 := atomic.Loaduintptr(&gp.stackguard0)
  preempt := stackguard0 == stackPreempt 
  if preempt {
        // Act like goroutine called runtime.Gosched.
        gopreempt_m(gp) // never return
      }
}

 func gopreempt_m(gp *g) {
  	if traceEnabled() {
  		traceGoPreempt()
  	}
  	goschedImpl(gp)
  }
  
 func goschedImpl(gp *g) {
	//删了一些源码，最终调了 schedule 
	schedule()
}

基于信号的抢占标记

开头那个 for 循环的例子，虽然很无聊，但是去避开了上面那种方案，
1. 不会调用 gopark
2. 不会系统调用
3.不会调用 morestack，因为没有函数调用

这时候，可以使用信号来触发协程的切换。

信号量可以在多线程和多进程直接进行通信（管道、共享内存、信号、消息队列一般作为多进程通信方式）。

原理：

操作系统中，有很多基于信号的底层通信方式，例如： SIGPIPE / SIGURG / SIGHUP
线程可以注册对应信号的处理函数

go的实现流程：

注册 `SIGURG`信号的处理函数

`GC`工作时，向目标线程发送信号

线程收到信号，触发调度，`gc`发送 `sigurg` 触发`runtime`的 `doSigPreempt()`

能够猜到 doSigPreempt(), 最终会去调 schedule() 方法。源码就不贴了。

开发中，协程过多的问题

  1. 文件打开数限制
      过多协程调用文件读写，会操作系统崩溃。

  2. 内存限制
      过多协程创建，达到了内存的限制  
  
  3. 调度开销过大
      过多协程，导致调度器调度复杂度增大

解决办法：

    1. 优化业务逻辑

    2. 利用 channel 的缓存区

    3. 协程池

    4. 调整系统资源

2和3都是从控制协程的数量入手，2适合单个业务场景，3适合全局。

1和4好理解

利用 channel 的缓存区

func do(c chan interface{}) {

	fmt.Println("do it")
	<-c
}

func main() {
    
  // 利用channel的特性来控制 go协程的个数
	ch := make(chan interface{}, 100)
	for {
		ch <- struct{}{}
		go do(ch)
	}
}

这种适合在一个场景下适用，不推荐全局使用。

协程池

代表：https://github.com/Jeffail/tunny

原理：类似某些语言的线程池

    1.预创建一定数量的协程
    2.将任务送入协程池队列
    3.协程池不断取出可用协程，执行任务

慎用协程池

Go语言的线程，已经相当于池化了

二级池化会增加系统复杂度

Go语言的初衷是希望协程即用即毁，不要池化

到此，go的GMP完结。