cs-note/hzh/GolangStar/Go语言原理/gmp调度原理/gmp-preemption.md

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tags: [go, golang, go-principle, gmp-scheduler, preemption]
create time: 2026-06-07 16:00
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# GMP 调度原理 — 抢占式调度

## 概述

前面讨论的让渡都是 G 的主动行为。但如果一个 G 执行纯计算循环，从不阻塞、不让出 CPU，整个系统就会被它拖垮。本节介绍 Go 调度器的"第三只手"——由后台 `sysmon` 线程发起的**抢占式调度**。涵盖 §5：system monitor、系统调用抢占、协作与非协作抢占。

## 正文

### 5.1 sysmon：永不休息的巡逻兵

Go 程序启动时，runtime 通过 `newm(sysmon, nil, -1)` 创建一个独立的 OS 线程专跑 `sysmon`。它全程唯一、终身运行。

```go
func sysmon() {
    for {
        usleep(delay)           // 自适应休眠（最长 10ms）
        
        if netpollinited() && lastpoll+10ms < now {
            list := netpoll(0)   // ① 非阻塞网络轮询
            injectglist(&list)   // 将就绪 G 放回全局队列
        }
        
        retake(now)              // ② 抢占检查
        
        if t.test() && forcegc.idle != 0 {
            // ③ GC 触发检查
        }
    }
}
```

三次巡检职责：

| 功能 | 说明 |
|------|------|
| **netpoll** | 从 epoll 取出已完成的 IO 事件，唤醒对应 G |
| **retake** | 遍历所有 P，发现超时或 syscall 过久的立即抢占 |
| **GC 检查** | 判断是否需要触发强制垃圾回收 |

### 5.2 系统调用抢占

当一个 G 发起 syscall 时，对应的 M 会被操作系统挂起，绑定的 P 也随之闲置。Go 的策略是：**人走可以，但办公桌留下。**

**进入 syscall**（`reentersyscall`）：

```go
func reentersyscall(pc, sp uintptr) {
    casgstatus(_g_, _Grunning, _Gsyscall)
    
    pp := _g_.m.p.ptr()
    pp.m = 0           // 解除 P → M
    _g_.m.p = 0        // 解除 M → P
    
    _g_.m.oldp.set(pp) // 记住原 P（弱引用）
    atomic.Store(&pp.status, _Psyscall)
}
```

退出 syscall 时有两条路径：

```mermaid
flowchart TD
    A["G 退出 syscall"] --> B{exitsyscallfast?}
    B -->|"是: oldP 仍单身"| C["快速路径<br/>复用 oldP<br/>状态→Grunning"]
    B -->|"否: oldP 被抢"| D["慢速路径<br/>mcall exitsyscall0<br/>找新 P / 入 GRQ / stopm"]
    style C fill:#e8f5e9
    style D fill:#fff3e0
```

```go
func exitsyscall() {
    oldp := _g_.m.oldp.ptr()
    if exitsyscallfast(oldp) {          // 快速路径
        casgstatus(_g_, _Gsyscall, _Grunning)
        return
    }
    mcall(exitsyscall0)                // 慢速路径
}
```

**sysmon 介入**：若 P 处于 `_Psyscall` 超过 10ms，`retake` 会强制将 P 从 syscall 的 M 处夺走，分配给新的空闲 M：

```go
// retake 中关键片段
if s == _Psyscall {
    if runqempty(_p_) && pd.syscallwhen+10ms > now {
        continue    // 刚进去不久且队列为空，暂不抢占
    }
    atomic.Cas(&_p_.status, s, _Pidle)
    handoffp(_p_)    // 抢夺 P，分配给新 M
}
```

### 5.3 运行超时抢占

对持续运行的 G（如纯计算死循环），`sysmon` 通过 `preemptone` 发起超时抢占。这分为两代实现：

#### 5.3.1 协作式抢占（Go ≤ 1.13）

`preemptone` 在目标 G 上打两个标记：

```go
func preemptone(_p_ *p) bool {
    mp := _p_.m.ptr()
    gp := mp.curg
    
    gp.preempt = true                  // 抢占标志
    gp.stackguard0 = stackPreempt      // 栈保护区特殊值
    return true
}
```

G 在执行函数调用时（尤其是触发栈扩容的 `newstack`），会检查 `stackguard0`：

```go
func newstack() {
    stackguard0 := atomic.Loaduintptr(&gp.stackguard0)
    if stackguard0 == stackPreempt {
        if canPreemptM(thisg.m) {
            gopreempt_m(gp)   // 响应抢占，殊途同归 goschedImpl()
        }
    }
}
```

**缺点**：如果一个 G 一直在跑无函数调用的纯计算死循环，永远不检查 `stackguard0`，就不会响应抢占意图。

#### 5.3.2 非协作式抢占（Go ≥ 1.14）

为解决上述短板，Go 1.14 引入基于 POSIX 信号的硬抢占机制：

```go
func preemptone(_p_ *p) bool {
    // ... 上面设置协作标记的代码不变 ...
    
    if preemptMSupported && debug.asyncpreemptoff == 0 {
        preemptM(mp)     // 向目标线程发送 sigPreempt 信号
    }
    return true
}

func signalM(mp *m, sig int) {
    pthread_kill(pthread(mp.procid), uint32(sig))  // 底层 syscall
}
```

信号到达后，操作系统的信号处理函数 `sighandler` → `doSigPreempt` 会通过修改寄存器的"指令注入"方式强行接管执行流：

```mermaid
flowchart TD
    A["sigPreempt 信号到达"] --> B["sighandler 检查 safepoint"]
    B --> C["pushCall: 修改 PC + SP"]
    C --> D["下一条指令跳入 asyncPreempt"]
    D --> E["mcall gopreempt_m"]
    E --> F["goschedImpl: 状态→Grunnable → GRQ"]
    style A fill:#ffebee
    style D fill:#fff9c4
    style F fill:#e8f5e9
```

```go
func doSigPreempt(gp *g, ctxt *sigctxt) {
    if wantAsyncPreempt(gp) {
        if ok, newpc := isAsyncSafePoint(...); ok {
            ctxt.pushCall(abi.FuncPCABI0(asyncPreempt), newpc)
        }
    }
}

func pushCall(targetPC, resumePC uintptr) {
    sp -= goarch.PtrSize
    *(*uintptr)(unsafe.Pointer(sp)) = resumePC  // 压入返回地址
    c.set_rsp(uint64(sp))                        // 更新栈指针
    c.set_rip(uint64(targetPC))                  // 劫持程序计数器
}
```

这条链路的特点是：**无论 G 在做什么**——不管有没有函数调用、是不是死循环——只要收到信号并被确认为安全中断点，就强制执行抢占。这是操作系统级别的强制手段，Go runtime 无法绕过。

### 5.4 小结对比

| 抢占类型 | 触发条件 | 方式 | 生效时机 |
|----------|----------|------|----------|
| 系统调用抢占 | P 处于 `_Psyscall` > 10ms | `handoffp` 夺回 P | sysmon 定期检查 |
| 协作式抢占 | G 运行 > 10ms | 设置 `stackPreempt` 标记 | G 下次函数调用/栈检查时 |
| 非协作式抢占 | G 运行 > 10ms | 发送 `sigPreempt` 信号并注入代码 | 信号中断后立即执行 |

> [!question] ❓ 为什么保留协作式抢占？
> 信号机制有平台限制（Windows 不支持），协作式作为兜底方案始终有效；同时对于大多数有 IO 或 channel 操作的 G，协作式抢占已经足够及时。

## 关联笔记

- [[hzh/GolangStar/Go语言原理/gmp调度原理/gmp-overview]] — GMP 概览
- [[hzh/GolangStar/Go语言原理/gmp调度原理/gmp-datastructures]] — G/M/P/Schedt 数据结构
- [[hzh/GolangStar/Go语言原理/gmp调度原理/gmp-lifecycle]] — Goroutine 生命周期
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