Go語言 調(diào)度器相關(guān)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

結(jié)構(gòu)體G

G是goroutine的縮寫，相當(dāng)于操作系統(tǒng)中的進(jìn)程控制塊，在這里就是goroutine的控制結(jié)構(gòu)，是對goroutine的抽象。其中包括goid是這個goroutine的ID，status是這個goroutine的狀態(tài)，如Gidle,Grunnable,Grunning,Gsyscall,Gwaiting,Gdead等。

struct G
{
    uintptr    stackguard;    // 分段棧的可用空間下界
    uintptr    stackbase;    // 分段棧的?；?    Gobuf    sched;        //進(jìn)程切換時，利用sched域來保存上下文
    uintptr    stack0;
    FuncVal*    fnstart;        // goroutine運行的函數(shù)
    void*    param;        // 用于傳遞參數(shù)，睡眠時其它goroutine設(shè)置param，喚醒時此goroutine可以獲取
    int16    status;        // 狀態(tài)Gidle,Grunnable,Grunning,Gsyscall,Gwaiting,Gdead
    int64    goid;        // goroutine的id號
    G*    schedlink;
    M*    m;        // for debuggers, but offset not hard-coded
    M*    lockedm;    // G被鎖定只能在這個m上運行
    uintptr    gopc;    // 創(chuàng)建這個goroutine的go表達(dá)式的pc
    ...
};

結(jié)構(gòu)體G中的部分域如上所示。可以看到，其中包含了棧信息stackbase和stackguard，有運行的函數(shù)信息fnstart。這些就足夠成為一個可執(zhí)行的單元了，只要得到CPU就可以運行。

goroutine切換時，上下文信息保存在結(jié)構(gòu)體的sched域中。goroutine是輕量級的線程或者稱為協(xié)程，切換時并不必陷入到操作系統(tǒng)內(nèi)核中，所以保存過程很輕量?？匆幌陆Y(jié)構(gòu)體G中的Gobuf，其實只保存了當(dāng)前棧指針，程序計數(shù)器，以及goroutine自身。

struct Gobuf
{
    // The offsets of these fields are known to (hard-coded in) libmach.
    uintptr    sp;
    byte*    pc;
    G*    g;
    ...
};

記錄g是為了恢復(fù)當(dāng)前goroutine的結(jié)構(gòu)體G指針，運行時庫中使用了一個常駐的寄存器extern register G* g，這個是當(dāng)前goroutine的結(jié)構(gòu)體G的指針。這樣做是為了快速地訪問goroutine中的信息，比如，Go的棧的實現(xiàn)并沒有使用%ebp寄存器，不過這可以通過g->stackbase快速得到。"extern register"是由6c，8c等實現(xiàn)的一個特殊的存儲。在ARM上它是實際的寄存器；其它平臺是由段寄存器進(jìn)行索引的線程本地存儲的一個槽位。在linux系統(tǒng)中，對g和m使用的分別是0(GS)和4(GS)。需要注意的是，鏈接器還會根據(jù)特定操作系統(tǒng)改變編譯器的輸出，例如，6l/linux下會將0(GS)重寫為-16(FS)。每個鏈接到Go程序的C文件都必須包含runtime.h頭文件，這樣C編譯器知道避免使用專用的寄存器。

結(jié)構(gòu)體M

M是machine的縮寫，是對機(jī)器的抽象，每個m都是對應(yīng)到一條操作系統(tǒng)的物理線程。M必須關(guān)聯(lián)了P才可以執(zhí)行Go代碼，但是當(dāng)它處理阻塞或者系統(tǒng)調(diào)用中時，可以不需要關(guān)聯(lián)P。

struct M
{
    G*    g0;        // 帶有調(diào)度棧的goroutine
    G*    gsignal;    // signal-handling G 處理信號的goroutine
    void    (*mstartfn)(void);
    G*    curg;        // M中當(dāng)前運行的goroutine
    P*    p;        // 關(guān)聯(lián)P以執(zhí)行Go代碼 (如果沒有執(zhí)行Go代碼則P為nil)
    P*    nextp;
    int32    id;
    int32    mallocing; //狀態(tài)
    int32    throwing;
    int32    gcing;
    int32    locks;
    int32    helpgc;        //不為0表示此m在做幫忙gc。helpgc等于n只是一個編號
    bool    blockingsyscall;
    bool    spinning;
    Note    park;
    M*    alllink;    // 這個域用于鏈接allm
    M*    schedlink;
    MCache    *mcache;
    G*    lockedg;
    M*    nextwaitm;    // next M waiting for lock
    GCStats    gcstats;
    ...
};

這里也是截取結(jié)構(gòu)體M中的部分域。和G類似，M中也有alllink域?qū)⑺械腗放在allm鏈表中。lockedg是某些情況下，G鎖定在這個M中運行而不會切換到其它M中去。M中還有一個MCache，是當(dāng)前M的內(nèi)存的緩存。M也和G一樣有一個常駐寄存器變量，代表當(dāng)前的M。同時存在多個M，表示同時存在多個物理線程。

結(jié)構(gòu)體M中有兩個G是需要關(guān)注一下的，一個是curg，代表結(jié)構(gòu)體M當(dāng)前綁定的結(jié)構(gòu)體G。另一個是g0，是帶有調(diào)度棧的goroutine，這是一個比較特殊的goroutine。普通的goroutine的棧是在堆上分配的可增長的棧，而g0的棧是M對應(yīng)的線程的棧。所有調(diào)度相關(guān)的代碼，會先切換到該goroutine的棧中再執(zhí)行。

結(jié)構(gòu)體P

Go1.1中新加入的一個數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，它是Processor的縮寫。結(jié)構(gòu)體P的加入是為了提高Go程序的并發(fā)度，實現(xiàn)更好的調(diào)度。M代表OS線程。P代表Go代碼執(zhí)行時需要的資源。當(dāng)M執(zhí)行Go代碼時，它需要關(guān)聯(lián)一個P，當(dāng)M為idle或者在系統(tǒng)調(diào)用中時，它也需要P。有剛好GOMAXPROCS個P。所有的P被組織為一個數(shù)組，在P上實現(xiàn)了工作流竊取的調(diào)度器。

struct P
{
    Lock;
    uint32    status;  // Pidle或Prunning等
    P*    link;
    uint32    schedtick;   // 每次調(diào)度時將它加一
    M*    m;    // 鏈接到它關(guān)聯(lián)的M (nil if idle)
    MCache*    mcache;

    G*    runq[256];
    int32    runqhead;
    int32    runqtail;

    // Available G's (status == Gdead)
    G*    gfree;
    int32    gfreecnt;
    byte    pad[64];
};

結(jié)構(gòu)體P中也有相應(yīng)的狀態(tài)：

Pidle,
Prunning,
Psyscall,
Pgcstop,
Pdead,

注意，跟G不同的是，P不存在waiting狀態(tài)。MCache被移到了P中，但是在結(jié)構(gòu)體M中也還保留著。在P中有一個Grunnable的goroutine隊列，這是一個P的局部隊列。當(dāng)P執(zhí)行Go代碼時，它會優(yōu)先從自己的這個局部隊列中取，這時可以不用加鎖，提高了并發(fā)度。如果發(fā)現(xiàn)這個隊列空了，則去其它P的隊列中拿一半過來，這樣實現(xiàn)工作流竊取的調(diào)度。這種情況下是需要給調(diào)用器加鎖的。

Sched

Sched是調(diào)度實現(xiàn)中使用的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)體的定義在文件proc.c中。

struct Sched {
    Lock;

    uint64    goidgen;

    M*    midle;     // idle m's waiting for work
    int32    nmidle;     // number of idle m's waiting for work
    int32    nmidlelocked; // number of locked m's waiting for work
    int3    mcount;     // number of m's that have been created
    int32    maxmcount;    // maximum number of m's allowed (or die)

    P*    pidle;  // idle P's
    uint32    npidle;  //idle P的數(shù)量
    uint32    nmspinning;

    // Global runnable queue.
    G*    runqhead;
    G*    runqtail;
    int32    runqsize;

    // Global cache of dead G's.
    Lock    gflock;
    G*    gfree;

    int32    stopwait;
    Note    stopnote;
    uint32    sysmonwait;
    Note    sysmonnote;
    uint64    lastpoll;

    int32    profilehz;    // cpu profiling rate
}

大多數(shù)需要的信息都已放在了結(jié)構(gòu)體M、G和P中，Sched結(jié)構(gòu)體只是一個殼?？梢钥吹?，其中有M的idle隊列，P的idle隊列，以及一個全局的就緒的G隊列。Sched結(jié)構(gòu)體中的Lock是非常必須的，如果M或P等做一些非局部的操作，它們一般需要先鎖住調(diào)度器。

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