嗯,你觉得 Go 在什么时候会抢占 P?

嗯,你觉得 Go 在什么时候会抢占 P?

前几天我们有聊到《单核 CPU,开两个 Goroutine,其中一个死循环,会怎么样?》的问题,我们在一个细节部分有提到:

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有新的小伙伴会产生更多的疑问,那就是在 Go 语言中,是如何抢占 P 的呢,这里面是怎么做的?

今天这篇文章我们就来解密抢占 P。

调度器的发展史

在 Go 语言中,Goroutine 早期是没有设计成抢占式的,早期 Goroutine 只有读写、主动让出、锁等操作时才会触发调度切换。

这样有一个严重的问题,就是垃圾回收器进行 STW 时,如果有一个 Goroutine 一直都在阻塞调用,垃圾回收器就会一直等待他,不知道等到什么时候…

这种情况下就需要抢占式调度来解决问题。如果一个 Goroutine 运行时间过久,就需要进行抢占来解决。

这块 Go 语言在 Go1.2 起开始实现抢占式调度器,不断完善直至今日:

  • Go0.x:基于单线程的程调度器。
  • Go1.0:基于多线程的调度器。
  • Go1.1:基于任务窃取的调度器。
  • Go1.2 - Go1.13:基于协作的抢占式调度器。
  • Go1.14:基于信号的抢占式调度器。

调度器的新提案:非均匀存储器访问调度(Non-uniform memory access,NUMA), 但由于实现过于复杂,优先级也不够高,因此迟迟未提上日程。

有兴趣的小伙伴可以详见 Dmitry Vyukov, dvyukov 所提出的 NUMA-aware scheduler for Go。

为什么要抢占 P

为什么会要想去抢占 P 呢,说白了就是不抢,就没机会运行,会 hang 死。又或是资源分配不均了,

这在调度器设计中显然是不合理的。

跟这个例子一样:

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// Main Goroutine 
func main() {
// 模拟单核 CPU
runtime.GOMAXPROCS(1)

// 模拟 Goroutine 死循环
go func() {
for {
}
}()

time.Sleep(time.Millisecond)
fmt.Println("脑子进煎鱼了")
}

这个例子在老版本的 Go 语言中,就会一直阻塞,没法重见天日,是一个需要做抢占的场景。

但可能会有小伙伴问,抢占了,会不会有新问题。因为原本正在使用 P 的 M 就凉凉了(M 会与 P 进行绑定),没了 P 也就没法继续执行了。

这其实没有问题,因为该 Goroutine 已经阻塞在了系统调用上,暂时是不会有后续的执行新诉求。

但万一代码是在运行了好一段时间后又能够运行了(业务上也允许长等待),也就是该 Goroutine 从阻塞状态中恢复了,期望继续运行,没了 P 怎么办?

这时候该 Goroutine 可以和其他 Goroutine 一样,先检查自身所在的 M 是否仍然绑定着 P:

  • 若是有 P,则可以调整状态,继续运行。
  • 若是没有 P,可以重新抢 P,再占有并绑定 P,为自己所用。

也就是抢占 P,本身就是一个双向行为,你抢了我的 P,我也可以去抢别人的 P 来继续运行。

怎么抢占 P

讲解了为什么要抢占 P 的原因后,我们进一步深挖,“他” 是怎么抢占到具体的 P 的呢?

这就涉及到前文所提到的 runtime.retake 方法了,其处理以下两种场景:

  • 抢占阻塞在系统调用上的 P。
  • 抢占运行时间过长的 G。

在此主要针对抢占 P 的场景,分析如下:

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func retake(now int64) uint32 {
n := 0
// 防止发生变更,对所有 P 加锁
lock(&allpLock)
// 走入主逻辑,对所有 P 开始循环处理
for i := 0; i < len(allp); i++ {
_p_ := allp[i]
pd := &_p_.sysmontick
s := _p_.status
sysretake := false
...
if s == _Psyscall {
// 判断是否超过 1 个 sysmon tick 周期
t := int64(_p_.syscalltick)
if !sysretake && int64(pd.syscalltick) != t {
pd.syscalltick = uint32(t)
pd.syscallwhen = now
continue
}

...
}
}
unlock(&allpLock)
return uint32(n)
}

该方法会先对 allpLock 上锁,这个变量含义如其名,allpLock 可以防止该数组发生变化。

其会保护 allpidlepMasktimerpMask 属性的无 P 读取和大小变化,以及对 allp 的所有写入操作,可以避免影响后续的操作。

场景一

前置处理完毕后,进入主逻辑,会使用万能的 for 循环对所有的 P(allp)进行一个个处理。

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t := int64(_p_.syscalltick)
if !sysretake && int64(pd.syscalltick) != t {
pd.syscalltick = uint32(t)
pd.syscallwhen = now
continue
}

第一个场景是:会对 syscalltick 进行判定,如果在系统调用(syscall)中存在超过 1 个 sysmon tick 周期(至少 20us)的任务,则会从系统调用中抢占 P,否则跳过。

场景二

如果未满足会继续往下,走到如下逻辑:

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func retake(now int64) uint32 {
for i := 0; i < len(allp); i++ {
...
if s == _Psyscall {
// 从此处开始分析
if runqempty(_p_) &&
atomic.Load(&sched.nmspinning)+atomic.Load(&sched.npidle) > 0 &&
pd.syscallwhen+10*1000*1000 > now {
continue
}
...
}
}
unlock(&allpLock)
return uint32(n)
}

第二个场景,聚焦到这一长串的判断中:

  • runqempty(_p_) == true 方法会判断任务队列 P 是否为空,以此来检测有没有其他任务需要执行。
  • atomic.Load(&sched.nmspinning)+atomic.Load(&sched.npidle) > 0 会判断是否存在空闲 P 和正在进行调度窃取 G 的 P。
  • pd.syscallwhen+10*1000*1000 > now 会判断系统调用时间是否超过了 10ms。

这里奇怪的是 runqempty 方法明明已经判断了没有其他任务,这就代表了没有任务需要执行,是不需要抢夺 P 的。

但实际情况是,由于可能会阻止 sysmon 线程的深度睡眠,最终还是希望继续占有 P。

在完成上述判断后,进入到抢夺 P 的阶段:

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func retake(now int64) uint32 {
for i := 0; i < len(allp); i++ {
...
if s == _Psyscall {
// 承接上半部分
unlock(&allpLock)
incidlelocked(-1)
if atomic.Cas(&_p_.status, s, _Pidle) {
if trace.enabled {
traceGoSysBlock(_p_)
traceProcStop(_p_)
}
n++
_p_.syscalltick++
handoffp(_p_)
}
incidlelocked(1)
lock(&allpLock)
}
}
unlock(&allpLock)
return uint32(n)
}
  • 解锁相关属性:需要调用 unlock 方法解锁 allpLock,从而实现获取 sched.lock,以便继续下一步。
  • 减少闲置 M:需要在原子操作(CAS)之前减少闲置 M 的数量(假设有一个正在运行)。否则在发生抢夺 M 时可能会退出系统调用,递增 nmidle 并报告死锁事件。
  • 修改 P 状态:调用 atomic.Cas 方法将所抢夺的 P 状态设为 idle,以便于交于其他 M 使用。
  • 抢夺 P 和调控 M:调用 handoffp 方法从系统调用或锁定的 M 中抢夺 P,会由新的 M 接管这个 P。

总结

至此完成了抢占 P 的基本流程,我们可得出满足以下条件:

  1. 如果存在系统调用超时:存在超过 1 个 sysmon tick 周期(至少 20us)的任务,则会从系统调用中抢占 P。
  2. 如果没有空闲的 P:所有的 P 都已经与 M 绑定。需要抢占当前正处于系统调用之,而实际上系统调用并不需要的这个 P 的情况,会将其分配给其它 M 去调度其它 G。
  3. 如果 P 的运行队列里面有等待运行的 G,为了保证 P 的本地队列中的 G 得到及时调度。而自己本身的 P 又忙于系统调用,无暇管理。此时会寻找另外一个 M 来接管 P,从而实现继续调度 G 的目的。

参考

  • NUMA-aware scheduler for Go
  • go-under-the-hood
  • 深入解析 Go-抢占式调度
  • Go语言调度器源代码情景分析

以上内容转载自煎鱼的blog

-------------本文结束 感谢阅读-------------