6.7 系统监控
系统监控是 Go 语言运行时的重要组成部分，它会每隔一段时间检查 Go 语言运行时，确保程序没有进入异常状态。
6.7.1 设计原理
在支持多任务的操作系统中，守护进程是在后台运行的计算机程序，不会由用户直接操作，一般会在操作系统启动时自动运行。
Go 语言的系统监控在内部启动了一个不会中止的循环，在循环的内部会轮询网络、抢占长期运行或者处于系统调用的 Goroutine 以及触发垃圾回收，通过这些行为，能够让系统的运行状态变得更健康。
6.7.2 监控循环
当 Go 语言程序启动时，运行时会在第一个 Goroutine 中调用 runtime.main 启动主程序，该函数会在系统栈中创建新的线程：
func main() {
...
if GOARCH != "wasm" {
systemstack(func() {
newm(sysmon, nil)
})
}
...
}
runtime.newm 会创建一个存储待执行函数和处理器的新结构体 runtime.m。运行时执行系统监控不需要处理器，系统监控的 Goroutine 会直接在创建的线程上运行：
func newm(fn func(), _p_ *p) {
mp := allocm(_p_, fn)
mp.nextp.set(_p_)
mp.sigmask = initSigmask
...
newm1(mp)
}
runtime.newm1 会调用特定平台的 runtime.newosproc 通过系统调用 clone 创建一个新的线程并在新的线程中执行 runtime.mstart：
func newosproc(mp *m) {
stk := unsafe.Pointer(mp.g0.stack.hi)
var oset sigset
sigprocmask(_SIG_SETMASK, &sigset_all, &oset)
ret := clone(cloneFlags, stk, unsafe.Pointer(mp), unsafe.Pointer(mp.g0), unsafe.Pointer(funcPC(mstart)))
sigprocmask(_SIG_SETMASK, &oset, nil)
...
}
在新创建的线程中，会执行存储在 runtime.m 中的 runtime.sysmon 启动系统监控：
func sysmon() {
sched.nmsys++
checkdead()
lasttrace := int64(0)
idle := 0
delay := uint32(0)
for {
if idle == 0 {
delay = 20
} else if idle > 50 {
delay *= 2
}
if delay > 10*1000 {
delay = 10 * 1000
}
usleep(delay)
...
}
}
当调用上述函数时，会先通过 runtime.checkdead 检查是否存在死锁，然后进入核心的监控循环；系统监控在每次循环开始时都会通过 usleep 挂起当前线程，该函数的参数是微秒，运行时会遵循以下的规则决定休眠时间：
- 初始的休眠时间是 20μs；
- 最长的休眠时间是 10ms；
- 当系统监控在 50 个循环中都没有唤醒 Goroutine 时，休眠时间在每个循环都会倍增；
当程序趋于稳定之后，系统监控的触发时间就会稳定在 10ms。它除了会检查死锁之外，还会在循环中完成以下的工作：
- 运行计时器 — 获取下一个需要被触发的计时器；
- 轮询网络 — 获取需要处理的到期文件描述符；
- 抢占处理器 — 抢占运行时间较长的或者处于系统调用的 Goroutine；
- 垃圾回收 — 在满足条件时触发垃圾收集回收内存；
检查死锁
系统监控通过 runtime.checkdead 检查运行时是否发生了死锁，可以将检查死锁的过程分成以下三个步骤：
- 检查是否存在正在运行的线程；
- 检查是否存在正在运行的 Goroutine；
- 检查处理器上是否存在计时器；
函数首先会检查 Go 语言运行时中正在运行的线程数量，通过调度器中的多个字段计算该值的结果：
func checkdead() {
var run0 int32
run := mcount() - sched.nmidle - sched.nmidlelocked - sched.nmsys
if run > run0 {
return
}
if run < 0 {
print("runtime: checkdead: nmidle=", sched.nmidle, " nmidlelocked=", sched.nmidlelocked, " mcount=", mcount(), " nmsys=", sched.nmsys, "\n")
throw("checkdead: inconsistent counts")
}
...
}
runtime.mcount根据下一个待创建的线程 id 和释放的线程数得到系统中存在的线程数；nmidle是处于空闲状态的线程数量；nmidlelocked是处于锁定状态的线程数量；nmsys是处于系统调用的线程数量；
对于正在运行的线程数：
- 如果线程数量大于 0，说明当前程序不存在死锁
- 如果线程数小于 0，说明当前程序的状态不一致
- 如果线程数等于 0，需要进一步检查程序的运行状态
func checkdead() {
...
grunning := 0
for i := 0; i < len(allgs); i++ {
gp := allgs[i]
if isSystemGoroutine(gp, false) {
continue
}
s := readgstatus(gp)
switch s &^ _Gscan {
case _Gwaiting, _Gpreempted:
grunning++
case _Grunnable, _Grunning, _Gsyscall:
print("runtime: checkdead: find g ", gp.goid, " in status ", s, "\n")
throw("checkdead: runnable g")
}
}
unlock(&allglock)
if grunning == 0 {
throw("no goroutines (main called runtime.Goexit) - deadlock!")
}
...
}
当运行时存在等待的 Goroutine 并且不存在正在运行的 Goroutine 时，检查处理器中存在的计时器：
func checkdead() {
...
for _, _p_ := range allp {
if len(_p_.timers) > 0 {
return
}
}
throw("all goroutines are asleep - deadlock!")
}
如果处理器中存在等待的计时器，那么所有的 Goroutine 陷入休眠状态是合理的，不过如果不存在等待的计时器，运行时会直接报错并退出程序。
运行计时器
在系统监控的循环中，通过 runtime.nanotime 和 runtime.timeSleepUntil 获取当前时间和计时器下一次需要唤醒的时间；当前调度器需要执行垃圾回收或者所有处理器都处于闲置状态时，如果没有需要触发的计时器，那么系统监控可以暂时陷入休眠：
func sysmon() {
...
for {
...
now := nanotime()
next, _ := timeSleepUntil()
if debug.schedtrace <= 0 && (sched.gcwaiting != 0 || atomic.Load(&sched.npidle) == uint32(gomaxprocs)) {
lock(&sched.lock)
if atomic.Load(&sched.gcwaiting) != 0 || atomic.Load(&sched.npidle) == uint32(gomaxprocs) {
if next > now {
atomic.Store(&sched.sysmonwait, 1)
unlock(&sched.lock)
sleep := forcegcperiod / 2
if next-now < sleep {
sleep = next - now
}
...
notetsleep(&sched.sysmonnote, sleep)
...
now = nanotime()
next, _ = timeSleepUntil()
lock(&sched.lock)
atomic.Store(&sched.sysmonwait, 0)
noteclear(&sched.sysmonnote)
}
idle = 0
delay = 20
}
unlock(&sched.lock)
}
...
if next < now {
startm(nil, false)
}
}
}
休眠的时间会依据强制 GC 的周期 forcegcperiod 和计时器下次触发的时间确定，runtime.notesleep 会使用信号量同步系统监控即将进入休眠的状态。
当系统监控被唤醒之后，会重新计算当前时间和下一个计时器需要触发的时间、调用 runtime.noteclear 通知系统监控被唤醒并重置休眠的间隔。
如果在这之后发现下一个计时器需要触发的时间小于当前时间，说明所有的线程可能正在忙于运行 Goroutine，系统监控会启动新的线程来触发计时器，避免计时器的到期时间有较大的偏差。
轮询网络
如果上一次轮询网络已经过去了 10ms，那么系统监控还会在循环中轮询网络，检查是否有待执行的文件描述符：
func sysmon() {
...
for {
...
lastpoll := int64(atomic.Load64(&sched.lastpoll))
if netpollinited() && lastpoll != 0 && lastpoll+10*1000*1000 < now {
atomic.Cas64(&sched.lastpoll, uint64(lastpoll), uint64(now))
list := netpoll(0)
if !list.empty() {
incidlelocked(-1)
injectglist(&list)
incidlelocked(1)
}
}
...
}
}
函数会非阻塞地调用 runtime.netpoll 检查待执行的文件描述符并通过 runtime.injectglist 将所有处于就绪状态的 Goroutine 加入全局运行队列中：
func injectglist(glist *gList) {
if glist.empty() {
return
}
lock(&sched.lock)
var n int
for n = 0; !glist.empty(); n++ {
gp := glist.pop()
casgstatus(gp, _Gwaiting, _Grunnable)
globrunqput(gp)
}
unlock(&sched.lock)
for ; n != 0 && sched.npidle != 0; n-- {
startm(nil, false)
}
*glist = gList{}
}
该函数会将所有 Goroutine 的状态从 _Gwaiting 切换至 _Grunnable 并加入全局运行队列等待运行，如果当前程序中存在空闲的处理器，会通过 runtime.startm 启动线程来执行这些任务。
抢占处理器
系统监控会在循环中调用 runtime.retake 抢占处于运行或者系统调用中的处理器，该函数会遍历运行时的全局处理器，每个处理器都存储了一个 runtime.sysmontick：
type sysmontick struct {
schedtick uint32
schedwhen int64
syscalltick uint32
syscallwhen int64
}
该结构体中的四个字段分别存储了处理器的调度次数、处理器上次调度时间、系统调用的次数以及系统调用的时间。runtime.retake 的循环包含了两种不同的抢占逻辑：
func retake(now int64) uint32 {
n := 0
for i := 0; i < len(allp); i++ {
_p_ := allp[i]
pd := &_p_.sysmontick
s := _p_.status
if s == _Prunning || s == _Psyscall {
t := int64(_p_.schedtick)
if pd.schedwhen+forcePreemptNS <= now {
preemptone(_p_)
}
}
if s == _Psyscall {
if runqempty(_p_) && atomic.Load(&sched.nmspinning)+atomic.Load(&sched.npidle) > 0 && pd.syscallwhen+10*1000*1000 > now {
continue
}
if atomic.Cas(&_p_.status, s, _Pidle) {
n++
_p_.syscalltick++
handoffp(_p_)
}
}
}
return uint32(n)
}
- 当处理器处于
_Prunning或者_Psyscall状态时，如果上一次触发调度的时间已经过去了 10ms，会通过runtime.preemptone抢占当前处理器； - 当处理器处于
_Psyscall状态时，在满足以下两种情况下会调用runtime.handoffp让出处理器的使用权：- 当处理器的运行队列不为空或者不存在空闲处理器时
- 当系统调用时间超过了 10ms 时
系统监控通过在循环中抢占处理器来避免同一个 Goroutine 占用线程太长时间造成饥饿问题。
垃圾回收
系统监控还会决定是否需要触发强制垃圾回收，runtime.sysmon 会构建 runtime.gcTrigger 并调用 runtime.gcTrigger.test 方法判断是否需要触发垃圾回收：
func sysmon() {
...
for {
...
if t := (gcTrigger{kind: gcTriggerTime, now: now}); t.test() && atomic.Load(&forcegc.idle) != 0 {
lock(&forcegc.lock)
forcegc.idle = 0
var list gList
list.push(forcegc.g)
injectglist(&list)
unlock(&forcegc.lock)
}
...
}
}
如果需要触发垃圾回收，会将用于垃圾回收的 Goroutine 加入全局队列，让调度器选择合适的处理器去执行。