详解 Go 程序的启动流程，你知道 g0，m0 是什么吗？

时间：2022-01-11 01:17:27

详解 Go 程序的启动流程，你知道 g0，m0 是什么吗？

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. import "fmt" 
  2.  
  3. func main() { 
  4.  fmt.Println("hello world.") 
  5. } 

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. $ gdb awesomeProject  
  2. (gdb) info files 
  3. Symbols from "/Users/eddycjy/go-application/awesomeProject/awesomeProject". 
  4. Local exec file: 
  5.  `/Users/eddycjy/go-application/awesomeProject/awesomeProject', file type mach-o-x86-64. 
  6.  Entry point: 0x1063c80 
  7.  0x0000000001001000 - 0x00000000010a6aca is .text 
  8.  ... 
  9. (gdb) b *0x1063c80 
  10. 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：

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：

详解 Go 程序的启动流程，你知道 g0，m0 是什么吗？

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

紧接着又跳转到 runtime·rt0_go 方法：

  1. TEXT _rt0_amd64(SB),NOSPLIT,$-8 
  2.  MOVQ 0(SP), DI // argc 
  3.  LEAQ 8(SP), SI // argv 
  4.  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. TEXT runtime·rt0_go(SB),NOSPLIT,$0 
  2.  ... 
  3.  CALL runtime·check(SB) 
  4.  MOVL 16(SP), AX  // copy argc 
  5.  MOVL AX, 0(SP) 
  6.  MOVQ 24(SP), AX  // copy argv 
  7.  MOVQ AX, 8(SP) 
  8.  CALL runtime·args(SB) 
  9.  CALL runtime·osinit(SB) 
  10.  CALL runtime·schedinit(SB) 
  11.  
  12.  // create a new goroutine to start program 
  13.  MOVQ $runtime·mainPC(SB), AX  // entry 
  14.  PUSHQ AX 
  15.  PUSHQ $0   // arg size 
  16.  CALL runtime·newproc(SB) 
  17.  POPQ AX 
  18.  POPQ AX 
  19.  
  20.  // start this M 
  21.  CALL runtime·mstart(SB) 
  22.  ... 
  • runtime.check：运行时类型检查，主要是校验编译器的翻译工作是否正确，是否有 “坑”。基本代码均为检查 int8 在 unsafe.Sizeof 方法下是否等于 1 这类动作。
  • runtime.args：系统参数传递，主要是将系统参数转换传递给程序使用。
  • runtime.osinit：系统基本参数设置，主要是获取 CPU 核心数和内存物理页大小。
  • runtime.schedinit：进行各种运行时组件的初始化，包含调度器、内存分配器、堆、栈、GC 等一大堆初始化工作。会进行 p 的初始化，并将 m0 和某一个 p 进行绑定。
  • runtime.main：主要工作是运行 main goroutine，虽然在runtime·rt0_go 中指向的是$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。
  • 在 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：

详解 Go 程序的启动流程，你知道 g0，m0 是什么吗？

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.main、runtime.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. func mstart() { 
  2.  // 获取 g0 
  3.  _g_ := getg() 
  4.  
  5.  // 确定栈边界 
  6.  osStack := _g_.stack.lo == 0 
  7.  if osStack { 
  8.   size := _g_.stack.hi 
  9.   if size == 0 { 
  10.    size = 8192 * sys.StackGuardMultiplier 
  11.   } 
  12.   _g_.stack.hi = uintptr(noescape(unsafe.Pointer(&size))) 
  13.   _g_.stack.lo = _g_.stack.hi - size + 1024 
  14.  } 
  15.  _g_.stackguard0 = _g_.stack.lo + _StackGuard 
  16.  _g_.stackguard1 = _g_.stackguard0 
  17.    
  18.   // 启动 m，进行调度器循环调度 
  19.  mstart1() 
  20.  
  21.  // 退出线程 
  22.  if mStackIsSystemAllocated() { 
  23.   osStack = true 
  24.  } 
  25.  mexit(osStack) 
  26. } 
  • 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. func mstart1() { 
  2.  // 获取 g，并判断是否为 g0 
  3.  _g_ := getg() 
  4.  if _g_ != _g_.m.g0 { 
  5.   throw("bad runtime·mstart") 
  6.  } 
  7.  
  8.  // 初始化 m 并记录调用方 pc、sp 
  9.  save(getcallerpc(), getcallersp()) 
  10.  asminit() 
  11.  minit() 
  12.  
  13.  // 设置信号 handler 
  14.  if _g_.m == &m0 { 
  15.   mstartm0() 
  16.  } 
  17.  // 运行启动函数 
  18.  if fn := _g_.m.mstartfn; fn != nil { 
  19.   fn() 
  20.  } 
  21.  
  22.  if _g_.m != &m0 { 
  23.   acquirep(_g_.m.nextp.ptr()) 
  24.   _g_.m.nextp = 0 
  25.  } 
  26.  schedule() 
  27. } 
  • 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。

原文地址：https://mp.weixin.qq.com/s/YK-TD3bZGEgqC0j-8U6VkQ

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