6.7 系统监控

很多系统中都有守护进程，它们能够在后台监控系统的运行状态，在出现意外情况时及时响应。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。本节会介绍 Go 语言系统监控的设计与实现原理，包括它的启动、执行过程以及主要职责。

6.7.1 设计原理

在支持多任务的操作系统中，守护进程（Daemon）是在后台运行的计算机程序。守护进程不会由用户直接操作，它一般会在操作系统启动时自动运行。Kubernetes 的 DaemonSet 和 Go 语言的系统监控都使用类似设计提供一些通用的功能：

图 6-46 Go 语言系统监控

守护进程是很有效的设计，它在整个系统的生命周期中都会存在，会随着系统的启动而启动，系统的结束而结束。在操作系统和 Kubernetes 中，我们经常会将数据库服务、日志服务以及监控服务等进程作为守护进程运行。

Go 语言的系统监控也起到了很重要的作用，它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，它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.newsproc 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，我们会执行存储在 runtime.m 结构体中的 runtime.sysmon 函数启动系统监控：

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)
        ...
    }
}

当运行时刚刚调用上述函数时，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；

我们在这一节中会依次介绍系统监控是如何处理五种不同工作的。

检查死锁

系统监控通过 runtime.checkdead 检查运行时是否发生了死锁，我们可以将检查死锁的过程分成以下三个步骤：

1. 检查是否存在正在运行的线程；
2. 检查是否存在正在运行的 Goroutine；
3. 检查处理器上是否存在计时器；

该函数首先会检查 Go 语言运行时中正在运行的线程数量，我们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")
    }
    ...
}

1. 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；
2. nmidle 是处于空闲状态的线程数量；
3. nmidlelocked 是处于锁定状态的线程数量；
4. nmsys 是处于系统调用的线程数量；

利用上述几个线程相关数据，我们可以得到正在运行的线程数，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，我们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!")
    }
    ...
}

1. 当存在 Goroutine 处于 _Grunnable、_Grunning 和 _Gsyscall 状态时，意味着程序发生了死锁；
2. 当所有的 Goroutine 都处于 _Gidle、_Gdead 和 _Gcopystack 状态时，意味着主程序调用了 runtime.goexit；

当运行时存在等待的 Goroutine 并且不存在正在运行的 Goroutine 时，我们会检查处理器中存在的计时器1：

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，运行时就会直接报错并退出程序。

运行计时器

在系统监控的循环中，我们通过 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，我们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，我们发现下一个计时器需要触发的时间小于当前时间，这也就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)
            }
        }
        ...
    }
}

上述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，就会通过 runtime.startm 函数启动线程来执行这些任务。

抢占处理器

系统调用会在循环中调用 runtime.retake 函数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 结构体：

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 中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)
}

1. 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，我们就会通过 runtime.preemptone 抢占当前处理器；
2. 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：
   1. 当处理器的运行队列不为空或者不存在空闲处理器时2；
   2. 当系统调用时间超过了 10ms 时3；

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

在最后，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 结构体并调用 runtime.gcTrigger.test 函数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，我们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。

6.7.3 小结

运行时通过系统监控来触发线程的抢占、网络的轮询和垃圾回收，保证 Go 语言运行时的可用性。系统监控能够很好地解决尾延迟的问题，减少调度器调度 Goroutine 的饥饿问题并保证计时器在尽可能准确的时间触发。

6.7.4 扩展阅读

1. Ian Lance Taylor. Apr 2019. “runtime: initial scheduler changes for timers on P’s” https://github.com/golang/go/commit/06ac26279cb93140bb2b03bcef9a3300c166cade ↩︎

2. Dmitry Vyukov. Mar 2013. “runtime: improved scheduler” https://github.com/golang/go/commit/779c45a50700bda0f6ec98429720802e6c1624e8 ↩︎

3. Dmitry Vyukov. Jan 2014. “runtime: tune P retake logic” https://github.com/golang/go/commit/179d41feccc29260d1a16294647df218f1a6746a ↩︎

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