详解 Go 程序的启动流程,你知道 g0,m0 是什么吗?

转载自煎鱼的blog

详解 Go 程序的启动流程,你知道 g0,m0 是什么吗?

原创 陈煎鱼 脑子进煎鱼了;) 5天前

收录于话题

#Go45

#面试题13

大家好,我是煎鱼。

自古应用程序均从 Hello World 开始,你我所写的 Go 语言亦然:

1
2
3
4
5
import "fmt"

func main() {
fmt.Println("hello world.")
}

这段程序的输出结果为 hello world.,就是这么的简单又直接。但这时候又不禁思考了起来,这个 hello world. 是怎么输出来,经历了什么过程。

真是非常的好奇,今天我们就一起来探一探 Go 程序的启动流程。其中涉及到 Go Runtime 的调度器启动,g0,m0 又是什么?

车门焊死,正式开始吸鱼之路。

Go 引导阶段

查找入口

首先编译上文提到的示例程序:

1
$ GOFLAGS="-ldflags=-compressdwarf=false" go build

在命令中指定了 GOFLAGS 参数,这是因为在 Go1.11 起,为了减少二进制文件大小,调试信息会被压缩。导致在 MacOS 上使用 gdb 时无法理解压缩的 DWARF 的含义是什么(而我恰恰就是用的 MacOS)。

因此需要在本次调试中将其关闭,再使用 gdb 进行调试,以此达到观察的目的:

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
$ gdb awesomeProject 
(gdb) info files
Symbols from "/Users/eddycjy/go-application/awesomeProject/awesomeProject".
Local exec file:
`/Users/eddycjy/go-application/awesomeProject/awesomeProject', file type mach-o-x86-64.
Entry point: 0x1063c80
0x0000000001001000 - 0x00000000010a6aca is .text
...
(gdb) b *0x1063c80
Breakpoint 1 at 0x1063c80: file /usr/local/Cellar/go/1.15/libexec/src/runtime/rt0_darwin_amd64.s, line 8.

通过 Entry point 的调试,可看到真正的程序入口在 runtime 包中,不同的计算机架构指向不同。例如:

  • MacOS 在 src/runtime/rt0_darwin_amd64.s
  • Linux 在 src/runtime/rt0_linux_amd64.s

其最终指向了 rt0_darwin_amd64.s 文件,这个文件名称非常的直观:

1
Breakpoint 1 at 0x1063c80: file /usr/local/Cellar/go/1.15/libexec/src/runtime/rt0_darwin_amd64.s, line 8.

rt0 代表 runtime0 的缩写,指代运行时的创世,超级奶爸:

  • darwin 代表目标操作系统(GOOS)。
  • amd64 代表目标操作系统架构(GOHOSTARCH)。

同时 Go 语言还支持更多的目标系统架构,例如:AMD64、AMR、MIPS、WASM 等:

图片源码目录

若有兴趣可到 src/runtime 目录下进一步查看,这里就不一一介绍了。

入口方法

在 rt0_linux_amd64.s 文件中,可发现 _rt0_amd64_darwin JMP 跳转到了 _rt0_amd64 方法:

1
2
3
TEXT _rt0_amd64_darwin(SB),NOSPLIT,$-8
JMP _rt0_amd64(SB)
...

紧接着又跳转到 runtime·rt0_go 方法:

1
2
3
4
TEXT _rt0_amd64(SB),NOSPLIT,$-8
MOVQ 0(SP), DI // argc
LEAQ 8(SP), SI // argv
JMP runtime·rt0_go(SB)

该方法将程序输入的 argc 和 argv 从内存移动到寄存器中。

栈指针(SP)的前两个值分别是 argc 和 argv,其对应参数的数量和具体各参数的值。

开启主线

程序参数准备就绪后,正式初始化的方法落在 runtime·rt0_go 方法中:

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
TEXT runtime·rt0_go(SB),NOSPLIT,$0
...
CALL runtime·check(SB)
MOVL 16(SP), AX // copy argc
MOVL AX, 0(SP)
MOVQ 24(SP), AX // copy argv
MOVQ AX, 8(SP)
CALL runtime·args(SB)
CALL runtime·osinit(SB)
CALL runtime·schedinit(SB)

// create a new goroutine to start program
MOVQ $runtime·mainPC(SB), AX // entry
PUSHQ AX
PUSHQ $0 // arg size
CALL runtime·newproc(SB)
POPQ AX
POPQ AX

// start this M
CALL runtime·mstart(SB)
...
  • runtime.check:运行时类型检查,主要是校验编译器的翻译工作是否正确,是否有 “坑”。基本代码均为检查 int8unsafe.Sizeof 方法下是否等于 1 这类动作。
  • runtime.args:系统参数传递,主要是将系统参数转换传递给程序使用。
  • runtime.osinit:系统基本参数设置,主要是获取 CPU 核心数和内存物理页大小。
  • runtime.schedinit:进行各种运行时组件的初始化,包含调度器、内存分配器、堆、栈、GC 等一大堆初始化工作。会进行 p 的初始化,并将 m0 和某一个 p 进行绑定。
  • runtime.main:主要工作是运行 main goroutine,虽然在runtime·rt0_go 中指向的是$runtime·mainPC,但实质指向的是 runtime.main
  • runtime.newproc:创建一个新的 goroutine,且绑定 runtime.main 方法(也就是应用程序中的入口 main 方法)。并将其放入 m0 绑定的p的本地队列中去,以便后续调度。
  • runtime.mstart:启动 m,调度器开始进行循环调度。

runtime·rt0_go 方法中,其主要是完成各类运行时的检查,系统参数设置和获取,并进行大量的 Go 基础组件初始化。

初始化完毕后进行主协程(main goroutine)的运行,并放入等待队列(GMP 模型),最后调度器开始进行循环调度。

小结

根据上述源码剖析,可以得出如下 Go 应用程序引导的流程图:

图片Go 程序引导过程

在 Go 语言中,实际的运行入口并不是用户日常所写的 main func,更不是 runtime.main 方法,而是从 rt0_*_amd64.s 开始,最终再一路 JMP 到 runtime·rt0_go 里去,再在该方法里完成一系列 Go 自身所需要完成的绝大部分初始化动作。

其中整体包括:

  • 运行时类型检查、系统参数传递、CPU 核数获取及设置、运行时组件的初始化(调度器、内存分配器、堆、栈、GC 等)。
  • 运行 main goroutine。
  • 运行相应的 GMP 等大量缺省行为。
  • 涉及到调度器相关的大量知识。

后续将会继续剖析将进一步剖析 runtime·rt0_go 里的爱与恨,尤其像是 runtime.mainruntime.schedinit 等调度方法,都有非常大的学习价值,有兴趣的小伙伴可以持续关注。

Go 调度器初始化

知道了 Go 程序是怎么引导起来的之后,我们需要了解 Go Runtime 中调度器是怎么流转的。

runtime.mstart

这里主要关注 runtime.mstart 方法:

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
func mstart() {
// 获取 g0
_g_ := getg()

// 确定栈边界
osStack := _g_.stack.lo == 0
if osStack {
size := _g_.stack.hi
if size == 0 {
size = 8192 * sys.StackGuardMultiplier
}
_g_.stack.hi = uintptr(noescape(unsafe.Pointer(&size)))
_g_.stack.lo = _g_.stack.hi - size + 1024
}
_g_.stackguard0 = _g_.stack.lo + _StackGuard
_g_.stackguard1 = _g_.stackguard0

// 启动 m,进行调度器循环调度
mstart1()

// 退出线程
if mStackIsSystemAllocated() {
osStack = true
}
mexit(osStack)
}
  • 调用 getg 方法获取 GMP 模型中的 g,此处获取的是 g0。
  • 通过检查 g 的执行栈 _g_.stack 的边界(堆栈的边界正好是 lo, hi)来确定是否为系统栈。若是,则根据系统栈初始化 g 执行栈的边界。
  • 调用 mstart1 方法启动系统线程 m,进行调度器循环调度。
  • 调用 mexit 方法退出系统线程 m。

runtime.mstart1

这么看来其实质逻辑在 mstart1 方法,我们继续往下剖析:

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
func mstart1() {
// 获取 g,并判断是否为 g0
_g_ := getg()
if _g_ != _g_.m.g0 {
throw("bad runtime·mstart")
}

// 初始化 m 并记录调用方 pc、sp
save(getcallerpc(), getcallersp())
asminit()
minit()

// 设置信号 handler
if _g_.m == &m0 {
mstartm0()
}
// 运行启动函数
if fn := _g_.m.mstartfn; fn != nil {
fn()
}

if _g_.m != &m0 {
acquirep(_g_.m.nextp.ptr())
_g_.m.nextp = 0
}
schedule()
}
  • 调用 getg 方法获取 g。并且通过前面绑定的 _g_.m.g0 判断所获取的 g 是否 g0。若不是,则直接抛出致命错误。因为调度器仅在 g0 上运行。
  • 调用 minit 方法初始化 m,并记录调用方的 PC、SP,便于后续 schedule 阶段时的复用。
  • 若确定当前的 g 所绑定的 m 是 m0,则调用 mstartm0 方法,设置信号 handler。该动作必须在 minit 方法之后,这样 minit 方法可以提前准备好线程,以便能够处理信号。
  • 若当前 g 所绑定的 m 有启动函数,则运行。否则跳过。
  • 若当前 g 所绑定的 m 不是 m0,则需要调用 acquirep 方法获取并绑定 p,也就是 m 与 p 绑定。
  • 调用 schedule 方法进行正式调度。

忙活了一大圈,终于进入到开题的主菜了,原来潜伏的很深的 schedule 方法才是真正做调度的方法,其他都是前置处理和准备数据。

由于篇幅问题,schedule 方法会放到下篇再继续剖析,我们先聚焦本篇的一些细节点。

问题深剖

不过到这里篇幅也已经比较长了,积累了不少问题。我们针对在 Runtime 中出镜率最高的两个元素进行剖析:

  1. m0 是什么,作用是?
  2. g0 是什么,作用是?

m0

m0 是 Go Runtime 所创建的第一个系统线程,一个 Go 进程只有一个 m0,也叫主线程。

从多个方面来看:

  • 数据结构:m0 和其他创建的 m 没有任何区别。
  • 创建过程:m0 是进程在启动时应该汇编直接复制给 m0 的,其他后续的 m 则都是 Go Runtime 内自行创建的。
  • 变量声明:m0 和常规 m 一样,m0 的定义就是 var m0 m,没什么特别之处。

g0

g 一般分为三种,分别是:

  • 执行用户任务的叫做 g。
  • 执行 runtime.main 的 main goroutine。
  • 执行调度任务的叫 g0。。

g0 比较特殊,每一个 m 都只有一个 g0(仅此只有一个 g0),且每个 m 都只会绑定一个 g0。在 g0 的赋值上也是通过汇编赋值的,其余后续所创建的都是常规的 g。

从多个方面来看:

  • 数据结构:g0 和其他创建的 g 在数据结构上是一样的,但是存在栈的差别。在 g0 上的栈分配的是系统栈,在 Linux 上栈大小默认固定 8MB,不能扩缩容。而常规的 g 起始只有 2KB,可扩容。
  • 运行状态:g0 和常规的 g 不一样,没有那么多种运行状态,也不会被调度程序抢占,调度本身就是在 g0 上运行的。
  • 变量声明:g0 和常规 g,g0 的定义就是 var g0 g,没什么特别之处。

小结

在本章节中我们讲解了 Go 调度器初始化的一个过程,分别涉及:

  • runtime.mstart。
  • runtime.mstart1。

基于此也了解到了在调度器初始化过程中,需要准备什么,初始化什么。另外针对调度过程中最常提到的 m0、g0 的概念我们进行了梳理和说明。

总结

在今天这篇文章中,我们详细的介绍了 Go 语言的引导启动过程中的所有流程和初始化动作。

同时针对调度器的初始化进行了初步分析,详细介绍了 m0、g0 的用途和区别。在下一篇文章中我们将进一步对真正调度的 schedule 方法进行详解,这块也是个硬骨头了。

-------------本文结束 感谢阅读-------------