g0 特殊的goroutine

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February 11, 2021 - 2 minutes read - 348 words

在上篇《golang中G、P、M 和 sched 三者的数据结构》文章中，我们介绍了G、M 和 P 的数据结构，其中M结构体中第一个字段是 g0，这个字段也是一个 goroutine，但和普通的 goroutine 有一些区别，它主要用来实现对 goroutine 进行调度，下面我们将介绍它是如何实现调度goroutine的。

另外还有一个 m0 , 它是一个全局变量，与 g0 的区别如下M0 与 g0的区别

本文主要翻译自 Go: g0, Special Goroutine 一文，有兴趣的可以查阅原文，作者有一系列高质量的文章推荐大家都阅读一遍。ℹ️ 本文基于 Go 1.13。

我们知道在Golang中所有的goroutine的运行都是由调度器来负责管理的，go调度器尝试为所有的goroutine来分配运行时间，当有goroutine被阻塞或终止时，调度器会通过对goroutine 进行调度以此来保证所有CPU都处于忙碌状态，避免有CPU空闲状态浪费时间。

goroutine 切换规则

在此之前我们需要记住一些goroutine切换规则。runtime源码

// src/runtime/stubs.go

// mcall switches from the g to the g0 stack and invokes fn(g),
// where g is the goroutine that made the call.
// mcall saves g's current PC/SP in g->sched so that it can be restored later.
// It is up to fn to arrange for that later execution, typically by recording
// g in a data structure, causing something to call ready(g) later.
// mcall returns to the original goroutine g later, when g has been rescheduled.
// fn must not return at all; typically it ends by calling schedule, to let the m
// run other goroutines.
//
// mcall can only be called from g stacks (not g0, not gsignal).
//
// This must NOT be go:noescape: if fn is a stack-allocated closure,
// fn puts g on a run queue, and g executes before fn returns, the
// closure will be invalidated while it is still executing.
func mcall(fn func(*g))

对 mcall() 函数注释的翻译请参考文章 Runtime: 当一个goroutine 运行结束后会发生什么

一、将一个运行中的 Goroutine 切换到另一个的过程涉及到两个切换：

将运行中的 g 切换到 g0
将 g0 切换到下一个将要运行的 g

二、在 Go 中，goroutine 的切换成本很低，每次切换之前都需要对当前G的状态（PC/SP）进行存储（g.sched），以便下次恢复运行时读取当前G的上下文信息：

Goroutine 在停止运行当前执行的指令时，需先将当前运行的指令存储在程序计数器（PC），同时与堆栈指针（SP）存储到 g.sched 字段。等 Goroutine 恢复执行时，需将程序计数器（ PC）和堆栈指针（SP）从 g.sched 字段中再次读取出来，并将程序跳转到PC地址继续执行；
Goroutine 的堆栈，以便在再次运行时还原局部变量；

如果对这一块还不清楚的话，推荐阅读 Go：Goroutine 的切换过程实际上涉及了什么

让我们看看实际情况下goroutine的切换是怎样进行的。

调度 goroutine

Go 使用 GOMAXPROCES 变量控制运行的系统线程个数，这就意味着Go必须在每个运行着的系统线程上调度和管理goroutine。这个调度工作被委托给一个特殊的goroutine，也就是 g0。调度过程中 g0 会把就绪状态的goroutine调度到系统线程上运行。因此g0是每个os线程创建的第一个 goroutine。g0

为了更好理解 g0 的调度策略，假如现在有一个goroutine #G7，正在运行用户代码

ch := make(chan int)
[...]
ch <- v

当前 goroutine #G7 往 channel 里写入一个值，但此时接收端尚未准备好，此时goroutine将进行parked，即处于等待状态（ waiting mode ）,G7状态变由 _Grunning 为处于_Gwaiting 阻塞状态。g0

然后g0介入，g0 会替换 goroutine 并进行第一轮调度（第一次切换：将 G7 切换到 g0）。g0

g0 会获取一个新的goroutine。优先从当前与 m 绑定的 p 中的本地运行队列 q.runq 中获取一个新的 goroutine #G2（第二次切换：g0 再切换到 G2）g0

一旦有接收器读取到channel 中的数据，goroutine #G7 将会立即解除阻塞状态。

v := <-ch

收到消息的goroutine #G7 将切换到 g0 ，并通过将其放置在本地队列中, 并将状态由 _Gwaiting 变为 _Grunnable 。（言外之意想让哪个goroutine运行 g0 说了算）g0

至此，对 goroutine #G7 的一轮调度完成，G2 继续执行后面的用户代码。如果在 G2 里再也遇到类似阻塞的情况下，则重新发起一轮调度。

g0 职责

g0与普通的goroutine不同，g0有着固定且比较大的栈，这样go就可以在需要更大栈的时候就可以直接使用，不需要进行栈增长。

g0职责有：

Goroutine创建。当调用go func(){ ... }()或go myFunction()时，Go会将函数的创建委托给g0，随后再将其放置在本地队列中。新创建的goroutine优先执行，并放置在本地队列的顶部。为什么放在队顶可参考 Go：并发与调度器亲和性（ Go: Concurrency & Scheduler Affinity ） g0
Defer方法分配。
GC操作，例如stw，扫描goroutine的栈以及一些标清操作。
栈增长。在需要时，Go会增加goroutine的大小。该操作由g0在prolog方法中完成。

这个特殊的goroutine g0涉及许多其他操作（大量分配，cgo等），使我们的程序可以更高效地管理操作，并且需要更大的栈，以保持我们的程序在低内存下更加高效。