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详解 Go 程序的启动流程,你知道 g0,m0 是什么吗?

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煎鱼
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发布于: 2021 年 06 月 16 日

微信搜索【脑子进煎鱼了】关注这一只爆肝煎鱼。本文 GitHub github.com/eddycjy/blog 已收录,有我的系列文章、资料和开源 Go 图书。


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:


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


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


$ gdb awesomeProject (gdb) info filesSymbols 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 *0x1063c80Breakpoint 1 at 0x1063c80: file /usr/local/Cellar/go/1.15/libexec/src/runtime/rt0_darwin_amd64.s, line 8.
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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:


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



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:


TEXT _rt0_amd64_darwin(SB),NOSPLIT,$-8  JMP  _rt0_amd64(SB)...
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紧接着又跳转到 runtime·rt0_go 方法:


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


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) ...
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  • 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:



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:


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)}
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  • 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:


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()}
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  • 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。


若有任何疑问欢迎评论区反馈和交流,最好的关系是互相成就,各位的点赞就是煎鱼创作的最大动力,感谢支持。


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