Go runtime 调度器精讲（十）：异步抢占
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0. 前言
前面介绍了运行时间过长和系统调用引起的抢占，它们都属于协作式抢占。本讲会介绍基于信号的真抢占式调度。
在介绍真抢占式调度之前看下 Go 的两种抢占式调度器：
抢占式调度器 - Go 1.2 至今
- 基于协作的抢占式调度器 - Go 1.2 - Go 1.13
改进：通过编译器在函数调用时插入抢占检查指令，在函数调用时检查当前 Goroutine 是否发起了抢占请求，实现基于协作的抢占式调度。
缺陷：Goroutine 可能会因为垃圾收集和循环长时间占用资源导致程序暂停。 - 基于信号的抢占式调度器 - Go 1.14 至今
改进：实现了基于信号的真抢占式调度。
缺陷 1：垃圾收集在扫描栈时会触发抢占式调度。
缺陷 2：抢占的时间点不够多，不能覆盖所有边缘情况。
（注：该段文字来源于 抢占式调度器）
协作式抢占是通过在函数调用时插入 抢占检查 来实现抢占的，这种抢占的问题在于，如果 goroutine 中没有函数调用，那就没有办法插入 抢占检查，导致无法抢占。我们看 Go runtime 调度器精讲（七）：案例分析 的示例：
//go:nosplit
func gpm() {
var x int
for {
x++
}
}
func main() {
var x int
threads := runtime.GOMAXPROCS(0)
for i := 0; i < threads; i++ {
go gpm()
}
time.Sleep(1 * time.Second)
fmt.Println("x = ", x)
}
禁用异步抢占：
# GODEBUG=asyncpreemptoff=1 go run main.go
程序会卡死。这是因为在 gpm 前插入 //go:nosplit 会禁止函数栈扩张，协作式抢占不能在函数栈调用前插入 抢占检查，导致这个 goroutine 没办法被抢占。
而基于信号的真抢占式调度可以改善这个问题。
1. 基于信号的真抢占式调度
这里我们说的异步抢占指的就是基于信号的真抢占式调度。
异步抢占的实现在 ：
func preemptone(pp *p) bool {
...
// Request an async preemption of this P.
if preemptMSupported && debug.asyncpreemptoff == 0 {
pp.preempt = true
preemptM(mp) // 异步抢占
}
return true
}
进入 preemptM：
func preemptM(mp *m) {
...
if mp.signalPending.CompareAndSwap(0, 1) { // 更新 signalPending
signalM(mp, sigPreempt) // signalM 给线程发信号
}
...
}
// signalM sends a signal to mp.
func signalM(mp *m, sig int) {
tgkill(getpid(), int(mp.procid), sig)
}
func tgkill(tgid, tid, sig int)
调用 signalM 给线程发 sigPreempt（_SIGURG：23）信号。线程接收到该信号会做相应的处理。
1.1 线程处理抢占信号
线程是怎么处理操作系统发过来的 sigPreempt 信号的呢？
线程的信号处理在 sighandler：
func sighandler(sig uint32, info *siginfo, ctxt unsafe.Pointer, gp *g) {\
// The g executing the signal handler. This is almost always
// mp.gsignal. See delayedSignal for an exception.
gsignal := getg()
mp := gsignal.m
if sig == sigPreempt && debug.asyncpreemptoff == 0 && !delayedSignal {
// Might be a preemption signal.
doSigPreempt(gp, c)
// Even if this was definitely a preemption signal, it
// may have been coalesced with another signal, so we
// still let it through to the application.
}
...
}
进入 doSigPreempt：
// doSigPreempt handles a preemption signal on gp.
func doSigPreempt(gp *g, ctxt *sigctxt) {
// Check if this G wants to be preempted and is safe to
// preempt.
if wantAsyncPreempt(gp) {
if ok, newpc := isAsyncSafePoint(gp, ctxt.sigpc(), ctxt.sigsp(), ctxt.siglr()); ok {
// Adjust the PC and inject a call to asyncPreempt.
ctxt.pushCall(abi.FuncPCABI0(asyncPreempt), newpc)
}
}
// Acknowledge the preemption.
gp.m.preemptGen.Add(1)
gp.m.signalPending.Store(0)
}
首先，doSigPreempt 调用 wantAsyncPreempt 判断是否做异步抢占：
// wantAsyncPreempt returns whether an asynchronous preemption is
// queued for gp.
func wantAsyncPreempt(gp *g) bool {
// Check both the G and the P.
return (gp.preempt || gp.m.p != 0 && gp.m.p.ptr().preempt) && readgstatus(gp)&^_Gscan == _Grunning
}
如果是，继续调用 isAsyncSafePoint 判断当前执行的是不是异步安全点，线程只有执行到异步安全点才能处理异步抢占。安全点是指 Go 运行时认为可以安全地暂停或抢占一个正在运行的 Goroutine 的位置。异步抢占的安全点确保 Goroutine 在被暂停或切换时，系统的状态是稳定和一致的，不会出现数据竞争、死锁或未完成的重要计算。
如果是异步抢占的安全点。则调用 ctxt.pushCall(abi.FuncPCABI0(asyncPreempt), newpc) 执行 asyncPreempt：
// asyncPreempt saves all user registers and calls asyncPreempt2.
//
// When stack scanning encounters an asyncPreempt frame, it scans that
// frame and its parent frame conservatively.
//
// asyncPreempt is implemented in assembly.
func asyncPreempt()
//go:nosplit
func asyncPreempt2() { // asyncPreempt 会调用到 asyncPreempt2
gp := getg()
gp.asyncSafePoint = true
if gp.preemptStop {
mcall(preemptPark) // 抢占类型，如果是 preemptStop 则执行 preemptPark 抢占
} else {
mcall(gopreempt_m)
}
gp.asyncSafePoint = false
}
asyncPreempt 调用 asyncPreempt2 处理 gp.preemptStop 和非 gp.preemptStop 的抢占。对于非 gp.preemptStop 的抢占，我们在 Go runtime 调度器精讲（八）：运行时间过长的抢占 也介绍过，主要内容是将运行时间过长的 goroutine 放到全局队列中。接着线程执行调度获取下一个可运行的 goroutine。
1.2 案例分析
还记得在 Go runtime 调度器精讲（七）：案例分析 中最后留下的思考吗？
//go:nosplit
func gpm() {
var x int
for {
x++
}
}
func main() {
var x int
threads := runtime.GOMAXPROCS(0)
for i := 0; i < threads; i++ {
go gpm()
}
time.Sleep(1 * time.Second)
fmt.Println("x = ", x)
}
# GODEBUG=asyncpreemptoff=0 go run main.go
为什么开启异步抢占，程序还是会卡死？
从前面的分析结合我们的 dlv debug 发现，在安全点判断 isAsyncSafePoint 这里总是返回 false，无法进入 asyncpreempt 抢占该 goroutine。并且，由于协作式抢占的抢占点检查被 //go:nosplit 禁用了，导致协作式和异步抢占都无法抢占该 goroutine。
2. 小结
本讲介绍了异步抢占，也就是基于信号的真抢占式调度。至此，我们的 Go runtime 调度器精讲基本结束了，通过十讲内容大致理解了 Go runtime 调度器在做什么。下一讲，会总览全局，把前面讲的内容串起来。
