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Golang 里一个有趣的小细节

前几天一个小伙伴在公司 slack 问到如下 Golang 代码为什么会卡死(Go Playground):

package main

import (
    "fmt"
    "runtime"
)

func main() {
    var i byte
    go func() {
        for i = 0; i <= 255; i++ {
        }
    }()
    fmt.Println("Dropping mic")
    // Yield execution to force executing other goroutines
    runtime.Gosched()
    runtime.GC()
    fmt.Println("Done")
}

这个问题很有意思,大概涉及到 Golang 中以下三个概念:

  1. byte 是什么
  2. goroutine 如何调度
  3. Golang GC 时会发生什么

本文尝试简单解释下为什么上面的程序会卡死。

首先,先看下 main 函数里启动的 goroutine 事实上是什么东西:

var i byte
go func() {
    for i = 0; i <= 255; i++ {
    }
}()

Golang 中,byte 其实被 alias 到 uint8 上了。所以上面的 for 循环会始终成立,因为 i++ 到 i=255 的时候会溢出,i <= 255 一定成立。也即是, for 循环永远无法退出,所以上面的代码其实可以等价于这样:

go func() {
    for {}
}

其次,Goroutine 的调度是一个非常复杂的问题,这里并不打算详细介绍完整细节。

大概描述一下,目前版本的 Golang 中 goroutine 的调度(Scalable Go Scheduler Design Doc)基于 GPM 模型,G 代表 goroutine,M 可以看做真实的资源(OS Threads)。P 是 G-M 的中间层,组织多个 goroutine 跑在同一个 OS Thread 上。大概的模型如下:

图偷自 Google 图片搜索

如上图可以看到,一个 P 上会挂着多个 G,当一个 G 执行结束时,P 会选择下一个 G 继续执行。而当一个 G 执行太久没有结束,总也要给后面的 G 运行的机会吧。所以,Go scheduler 除了在一个 goroutine 执行结束时会调度后面的 goroutine 执行,还会在正在被执行的 goroutine 发生以下情况时让出当前 goroutine 的执行权,并调度后面的 goroutine 执行:

  • IO 操作
  • Channel 阻塞
  • system call
  • 运行较长时间

前三种这里我们不关心,最后一种情况下,如果一个 goroutine 执行时间太长,scheduler 会在其 G 对象上打上一个标志( preempt),当这个 goroutine 内部发生函数调用的时候,会先主动检查这个标志,如果为 true 则会让出执行权。(这里说得比较粗略,实际会复杂一些,不过并不是本文重点所以暂不关注细节。)

回到本文开始时的例子,main 函数里启动的 goroutine 其实是一个没有 IO 阻塞、没有 Channel 阻塞、没有 system call、没有函数调用的死循环。也就是,它无法主动让出自己的执行权,即使已经执行很长时间,scheduler 已经标志了 preempt。

如上图所示,一旦这个 G ( goroutine ) 拿到执行权,它后面的 G 将无法再被当前 P 调度获得执行权。上面程序为了让这个 G 对象一定拿到执行权,在 main goroutine 中主动执行 runtime.Gosched() 让出了执行权。

P 的数量由 GOMAXPROCS 设置,默认为机器的 CPU 数量。

这里又分为两种情况:

  1. 当这个程序跑在单核机器上的时候,P 默认只有一个,所以一旦调度到这个 G 对象就会卡死,因为永远没有机会再调度回 main goroutine 了。
  2. 当这个程序跑在多核机器上的时候,程序到这一步并不会卡死,因为另一个 P 所关联的 G 队列执行完了之后,会通过 Work-Stealing 算法偷取别的 P 对象上的 G,所以 main goroutine 还是有机会被别的 P 调度到。

可是文章开始时的代码,不论是在单核的机器上,还是在多核的机器上,都会卡死。

这就涉及到第三个点了:Golang 的 GC。

Golang 的 GC 本质上是基于标记-清除实现的(基于此不断改进过)。 见名知意,标记-清除分为两个阶段: - 标记 - 清除

其中,标记阶段是需要 STW( Stop The World )的,也就是会让所有正在运行的 goroutine 停下来。大概源码在这个位置

func gcStart(mode gcMode, trigger gcTrigger) {

    // ......
    systemstack(stopTheWorldWithSema)
    // ......

}

到这一步,死循环这个 goroutine 由于上面介绍的原因永远无法停下来,但是 main goroutine 阻塞在 GC STW 这里,等待所有 goroutine 停止执行。main goroutine 在等待一个永远不会为它停下的 G,于是,程序卡死了。

类似的,在设置 GOMAXPROCS 的时候,也需要 STW,所以下面的代码,和本文开始时的代码,卡死的原因是一样一样的(Go Playground):

package main

import (
    "fmt"
    "runtime"
    "time"
)

func forever() {
    for {
    }
}

func main() {
    go forever()

    time.Sleep(time.Millisecond)  // 让出执行权
    runtime.GOMAXPROCS(1926)      // 等待 stw
    fmt.Println("Done")           // 永远执行不到
}

区区几行代码,里面的奥妙真不少呀。

发布于 2018-09-18

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