曹春晖：谈一谈 Go 和 Syscall

▎阅读索引

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• 概念
  
• 入口
  
• 系统调用管理
  
• runtime 中的 SYSCALL
  
• 和调度的交互
  
  • entersyscall
    
  • exitsyscallfast
    
  • exitsyscall
    
  • entersyscallblock
    
  • entersyscallblock_handoff
    
  • entersyscall_sysmon
    
  • entersyscall_gcwait
    
• 总结
  

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▎概念

▎入口

syscall 有下面几个入口，在 syscall/asm_linux_amd64.s 中。

1func Syscall(trap, a1, a2, a3 uintptr) (r1, r2 uintptr, err syscall.Errno)
2
3func Syscall6(trap, a1, a2, a3, a4, a5, a6 uintptr) (r1, r2 uintptr, err syscall.Errno)
4
5func RawSyscall(trap, a1, a2, a3 uintptr) (r1, r2 uintptr, err syscall.Errno)
6
7func RawSyscall6(trap, a1, a2, a3, a4, a5, a6 uintptr) (r1, r2 uintptr, err syscall.Errno)
8

这些函数的实现都是汇编，按照 linux 的 syscall 调用规范，我们只要在汇编中把参数依次传入寄存器，并调用 SYSCALL 指令即可进入内核处理逻辑，系统调用执行完毕之后，返回值放在 RAX 中：

Syscall 和 Syscall6 的区别只有传入参数不一样:

1// func Syscall(trap int64, a1, a2, a3 uintptr) (r1, r2, err uintptr);
2TEXT ·Syscall(SB),NOSPLIT,$0-56
3 CALL runtime·entersyscall(SB)
4 MOVQ a1+8(FP), DI
5 MOVQ a2+16(FP), SI
6 MOVQ a3+24(FP), DX
7 MOVQ $0, R10
8 MOVQ $0, R8
9 MOVQ $0, R9
10 MOVQ trap+0(FP), AX // syscall entry
11 SYSCALL
12 // 0xfffffffffffff001 是 linux MAX_ERRNO 取反 转无符号，http://lxr.free-electrons.com/source/include/linux/err.h#L17
13 CMPQ AX, $0xfffffffffffff001
14 JLS ok
15 MOVQ $-1, r1+32(FP)
16 MOVQ $0, r2+40(FP)
17 NEGQ AX
18 MOVQ AX, err+48(FP)
19 CALL runtime·exitsyscall(SB)
20 RET
21ok:
22 MOVQ AX, r1+32(FP)
23 MOVQ DX, r2+40(FP)
24 MOVQ $0, err+48(FP)
25 CALL runtime·exitsyscall(SB)
26 RET
27
28// func Syscall6(trap, a1, a2, a3, a4, a5, a6 uintptr) (r1, r2, err uintptr)
29TEXT ·Syscall6(SB),NOSPLIT,$0-80
30 CALL runtime·entersyscall(SB)
31 MOVQ a1+8(FP), DI
32 MOVQ a2+16(FP), SI
33 MOVQ a3+24(FP), DX
34 MOVQ a4+32(FP), R10
35 MOVQ a5+40(FP), R8
36 MOVQ a6+48(FP), R9
37 MOVQ trap+0(FP), AX // syscall entry
38 SYSCALL
39 CMPQ AX, $0xfffffffffffff001
40 JLS ok6
41 MOVQ $-1, r1+56(FP)
42 MOVQ $0, r2+64(FP)
43 NEGQ AX
44 MOVQ AX, err+72(FP)
45 CALL runtime·exitsyscall(SB)
46 RET
47ok6:
48 MOVQ AX, r1+56(FP)
49 MOVQ DX, r2+64(FP)
50 MOVQ $0, err+72(FP)
51 CALL runtime·exitsyscall(SB)
52 RET

两个函数没什么大区别，为啥不用一个呢？个人猜测，Go 的函数参数都是栈上传入，可能是为了节省一点栈空间。。在正常的 Syscall 操作之前会通知 runtime，接下来我要进行 syscall 操作了 runtime·entersyscall ，退出时会调用 runtime·exitsyscall 。

1// func RawSyscall(trap, a1, a2, a3 uintptr) (r1, r2, err uintptr)
2TEXT ·RawSyscall(SB),NOSPLIT,$0-56
3 MOVQ a1+8(FP), DI
4 MOVQ a2+16(FP), SI
5 MOVQ a3+24(FP), DX
6 MOVQ $0, R10
7 MOVQ $0, R8
8 MOVQ $0, R9
9 MOVQ trap+0(FP), AX // syscall entry
10 SYSCALL
11 CMPQ AX, $0xfffffffffffff001
12 JLS ok1
13 MOVQ $-1, r1+32(FP)
14 MOVQ $0, r2+40(FP)
15 NEGQ AX
16 MOVQ AX, err+48(FP)
17 RET
18ok1:
19 MOVQ AX, r1+32(FP)
20 MOVQ DX, r2+40(FP)
21 MOVQ $0, err+48(FP)
22 RET
23
24// func RawSyscall6(trap, a1, a2, a3, a4, a5, a6 uintptr) (r1, r2, err uintptr)
25TEXT ·RawSyscall6(SB),NOSPLIT,$0-80
26 MOVQ a1+8(FP), DI
27 MOVQ a2+16(FP), SI
28 MOVQ a3+24(FP), DX
29 MOVQ a4+32(FP), R10
30 MOVQ a5+40(FP), R8
31 MOVQ a6+48(FP), R9
32 MOVQ trap+0(FP), AX // syscall entry
33 SYSCALL
34 CMPQ AX, $0xfffffffffffff001
35 JLS ok2
36 MOVQ $-1, r1+56(FP)
37 MOVQ $0, r2+64(FP)
38 NEGQ AX
39 MOVQ AX, err+72(FP)
40 RET
41ok2:
42 MOVQ AX, r1+56(FP)
43 MOVQ DX, r2+64(FP)
44 MOVQ $0, err+72(FP)
45 RET

RawSyscall 和 Syscall 的区别也非常微小，就只是在进入 Syscall 和退出的时候没有通知 runtime，这样 runtime 理论上是没有办法通过调度把这个 g 的 m 的 p 调度走的，所以如果用户代码使用了 RawSyscall 来做一些阻塞的系统调用，是有可能阻塞其它的 g 的，下面是官方开发的原话:

Yes, if you call RawSyscall you may block other goroutines from running. The system monitor may start them up after a while, but I think there are cases where it won’t. I would say that Go programs should always call Syscall. RawSyscall exists to make it slightly more efficient to call system calls that never block, such as getpid. But it’s really an internal mechanism.

1// func gettimeofday(tv *Timeval) (err uintptr)
2TEXT ·gettimeofday(SB),NOSPLIT,$0-16
3 MOVQ tv+0(FP), DI
4 MOVQ $0, SI
5 MOVQ runtime·__vdso_gettimeofday_sym(SB), AX
6 CALL AX
7
8 CMPQ AX, $0xfffffffffffff001
9 JLS ok7
10 NEGQ AX
11 MOVQ AX, err+8(FP)
12 RET
13ok7:
14 MOVQ $0, err+8(FP)
15 RET

▎系统调用管理

先是系统调用的定义文件:

1/syscall/syscall_linux.go

可以把系统调用分为三类:

• 阻塞系统调用
  
• 非阻塞系统调用
  
• wrapped 系统调用
  

阻塞系统调用会定义成下面这样的形式:

1//sys Madvise(b []byte, advice int) (err error)

非阻塞系统调用:

1//sysnb EpollCreate(size int) (fd int, err error)

然后，根据这些注释，mksyscall.pl 脚本会生成对应的平台的具体实现。mksyscall.pl 是一段 perl 脚本，感兴趣的同学可以自行查看，这里就不再赘述了。

看看阻塞和非阻塞的系统调用的生成结果:

1func Madvise(b []byte, advice int) (err error) {
2 var p0 unsafe.Pointer
3 if len(b) > 0 {
4 _p0 = unsafe.Pointer(&b[0])
5 } else {
6 _p0 = unsafe.Pointer(&_zero)
7 }
8 , , e1 := Syscall(SYS_MADVISE, uintptr(_p0), uintptr(len(b)), uintptr(advice))
9 if e1 != 0 {
10 err = errnoErr(e1)
11 }
12 return
13}
14
15func EpollCreate(size int) (fd int, err error) {
16 r0, , e1 := RawSyscall(SYS_EPOLL_CREATE, uintptr(size), 0, 0)
17 fd = int(r0)
18 if e1 != 0 {
19 err = errnoErr(e1)
20 }
21 return
22}

显然，标记为 sys 的系统调用使用的是 Syscall 或者 Syscall6，标记为 sysnb 的系统调用使用的是 RawSyscall 或 RawSyscall6。

wrapped 的系统调用是怎么一回事呢？

1func Rename(oldpath string, newpath string) (err error) {
2 return Renameat(_AT_FDCWD, oldpath, _AT_FDCWD, newpath)
3}

可能是觉得系统调用的名字不太好，或者参数太多，我们就简单包装一下。没啥特别的。

▎runtime 中的 SYSCALL

除了上面提到的阻塞非阻塞和 wrapped syscall，runtime 中还定义了一些 low-level 的 syscall，这些是不暴露给用户的。

提供给用户的 syscall 库，在使用时，会使 goroutine 和 p 分别进入 Gsyscall 和 Psyscall 状态。但 runtime 自己封装的这些 syscall 无论是否阻塞，都不会调用 entersyscall 和 exitsyscall。虽说是 “low-level” 的 syscall。

不过和暴露给用户的 syscall 本质是一样的。这些代码在 runtime/sys_linux_amd64.s中，举个具体的例子:

1TEXT runtime·write(SB),NOSPLIT,$0-28
2 MOVQ fd+0(FP), DI
3 MOVQ p+8(FP), SI
4 MOVL n+16(FP), DX
5 MOVL $SYS_write, AX
6 SYSCALL
7 CMPQ AX, $0xfffffffffffff001
8 JLS 2(PC)
9 MOVL $-1, AX
10 MOVL AX, ret+24(FP)
11 RET
12
13TEXT runtime·read(SB),NOSPLIT,$0-28
14 MOVL fd+0(FP), DI
15 MOVQ p+8(FP), SI
16 MOVL n+16(FP), DX
17 MOVL $SYS_read, AX
18 SYSCALL
19 CMPQ AX, $0xfffffffffffff001
20 JLS 2(PC)
21 MOVL $-1, AX
22 MOVL AX, ret+24(FP)
23 RET

下面是所有 runtime 另外定义的 syscall 列表:

1#define SYS_read 0
2#define SYS_write 1
3#define SYS_open 2
4#define SYS_close 3
5#define SYS_mmap 9
6#define SYS_munmap 11
7#define SYS_brk 12
8#define SYS_rt_sigaction 13
9#define SYS_rt_sigprocmask 14
10#define SYS_rt_sigreturn 15
11#define SYS_access 21
12#define SYS_sched_yield 24
13#define SYS_mincore 27
14#define SYS_madvise 28
15#define SYS_setittimer 38
16#define SYS_getpid 39
17#define SYS_socket 41
18#define SYS_connect 42
19#define SYS_clone 56
20#define SYS_exit 60
21#define SYS_kill 62
22#define SYS_fcntl 72
23#define SYS_getrlimit 97
24#define SYS_sigaltstack 131
25#define SYS_arch_prctl 158
26#define SYS_gettid 186
27#define SYS_tkill 200
28#define SYS_futex 202
29#define SYS_sched_getaffinity 204
30#define SYS_epoll_create 213
31#define SYS_exit_group 231
32#define SYS_epoll_wait 232
33#define SYS_epoll_ctl 233
34#define SYS_pselect6 270
35#define SYS_epoll_create1 291

这些 syscall 理论上都是不会在执行期间被调度器剥离掉 p 的，所以执行成功之后 goroutine 会继续执行，而不像用户的 goroutine 一样，若被剥离 p 会进入等待队列。

▎和调度的交互

既然要和调度交互，那友好地通知我要 syscall 了: entersyscall，我完事了: exitsyscall。

所以这里的交互指的是用户代码使用 syscall 库时和调度器的交互。runtime 里的 syscall 不走这套流程。

▎entersyscall

1// syscall 库和 cgo 调用的标准入口
2//go:nosplit
3func entersyscall() {
4 reentersyscall(getcallerpc(), getcallersp())
5}
6
7//go:nosplit
8func reentersyscall(pc, sp uintptr) {
9 g := getg()
10
11 // 需要禁止 g 的抢占
12 g.m.locks++
13
14 // entersyscall 中不能调用任何会导致栈增长/分裂的函数
15 g.stackguard0 = stackPreempt
16 // 设置 throwsplit，在 newstack 中，如果发现 throwsplit 是 true
17 // 会直接 crash
18 // 下面的代码是 newstack 里的
19 // if thisg.m.curg.throwsplit {
20 // throw(“runtime: stack split at bad time”)
21 // }
22 g.throwsplit = true
23
24 // Leave SP around for GC and traceback.
25 // 保存现场，在 syscall 之后会依据这些数据恢复现场
26 save(pc, sp)
27 g.syscallsp = sp
28 g.syscallpc = pc
29 casgstatus(g, Grunning, _Gsyscall)
30 if _g.syscallsp < g.stack.lo || g.stack.hi < g.syscallsp {
31 systemstack(func() {
32 print(“entersyscall inconsistent “, hex(g.syscallsp), “ [“, hex(g.stack.lo), “,”, hex(g.stack.hi), “]\n”)
33 throw(“entersyscall”)
34 })
35 }
36
37 if atomic.Load(&sched.sysmonwait) != 0 {
38 systemstack(entersyscallsysmon)
39 save(pc, sp)
40 }
41
42 if _g.m.p.ptr().runSafePointFn != 0 {
43 // runSafePointFn may stack split if run on this stack
44 systemstack(runSafePointFn)
45 save(pc, sp)
46 }
47
48 g.m.syscalltick = g.m.p.ptr().syscalltick
49 g.sysblocktraced = true
50 g.m.mcache = nil
51 g.m.p.ptr().m = 0
52 atomic.Store(&g.m.p.ptr().status, Psyscall)
53 if sched.gcwaiting != 0 {
54 systemstack(entersyscall_gcwait)
55 save(pc, sp)
56 }
57
58 _g.m.locks—
59}

可以看到，进入 syscall 的 G 是铁定不会被抢占的。

▎exitsyscall

1// g 已经退出了 syscall
2// 需要准备让 g 在 cpu 上重新运行
3// 这个函数只会在 syscall 库中被调用，在 runtime 里用的 low-level syscall
4// 不会用到
5// 不能有 write barrier，因为 P 可能已经被偷走了
6//go:nosplit
7//go:nowritebarrierrec
8func exitsyscall(dummy int32) {
9 g := getg()
10
11 g.m.locks++ // see comment in entersyscall
12 if getcallersp(unsafe.Pointer(&dummy)) > g.syscallsp {
13 // throw calls print which may try to grow the stack,
14 // but throwsplit == true so the stack can not be grown;
15 // use systemstack to avoid that possible problem.
16 systemstack(func() {
17 throw(“exitsyscall: syscall frame is no longer valid”)
18 })
19 }
20
21 g.waitsince = 0
22 oldp := g.m.p.ptr()
23 if exitsyscallfast() {
24 if g.m.mcache == nil {
25 systemstack(func() {
26 throw(“lost mcache”)
27 })
28 }
29 // 目前有 p，可以运行
30 g.m.p.ptr().syscalltick++
31 // 把 g 的状态修改回 running
32 casgstatus(g, Gsyscall, _Grunning)
33
34 // 垃圾收集未在运行(因为我们这段逻辑在执行)
35 // 所以清理掉 syscallsp 是安全的
36 _g.syscallsp = 0
37 g.m.locks—
38 if g.preempt {
39 // 防止在 newstack 中清理掉 preemption 标记
40 g.stackguard0 = stackPreempt
41 } else {
42 // 否则恢复在 entersyscall/entersyscallblock 中破坏掉的正常的 StackGuard
43 _g.stackguard0 = g.stack.lo + StackGuard
44 }
45 _g.throwsplit = false
46 return
47 }
48
49 g.sysexitticks = 0
50 g.m.locks—
51
52 // 调用 scheduler
53 mcall(exitsyscall0)
54
55 if g.m.mcache == nil {
56 systemstack(func() {
57 throw(“lost mcache”)
58 })
59 }
60
61 // 调度器返回了，所以我们可以清理掉在 syscall 期间为垃圾收集器
62 // 准备的 syscallsp 信息了
63 // 需要一直等待到 gosched 返回，我们不确定垃圾收集器是不是在运行
64 g.syscallsp = 0
65 g.m.p.ptr().syscalltick++
66 g.throwsplit = false
67}

这里还调用了 exitsyscallfast 和 exitsyscall0。

▎exitsyscallfast

1//go:nosplit
2func exitsyscallfast() bool {
3 g := getg()
4
5 // Freezetheworld sets stopwait but does not retake P’s.
6 if sched.stopwait == freezeStopWait {
7 g.m.mcache = nil
8 g.m.p = 0
9 return false
10 }
11
12 // Try to re-acquire the last P.
13 if g.m.p != 0 && g.m.p.ptr().status == Psyscall && atomic.Cas(&_g.m.p.ptr().status, Psyscall, _Prunning) {
14 // There’s a cpu for us, so we can run.
15 exitsyscallfast_reacquired()
16 return true
17 }
18
19 // Try to get any other idle P.
20 oldp := _g.m.p.ptr()
21 g.m.mcache = nil
22 g.m.p = 0
23 if sched.pidle != 0 {
24 var ok bool
25 systemstack(func() {
26 ok = exitsyscallfast_pidle()
27 })
28 if ok {
29 return true
30 }
31 }
32 return false
33}

总之就是努力获取一个 P 来执行 syscall 之后的逻辑。如果哪都没有 P 可以给我们用，那就进入 exitsyscall0 了。

1mcall(exitsyscall0)

调用 exitsyscall0 时，会切换到 g0 栈。

▎exitsyscall0

1// 在 exitsyscallfast 中吃瘪了，没办法，慢慢来
2// 把 g 的状态设置成 runnable，先进 runq 等着
3//go:nowritebarrierrec
4func exitsyscall0(gp *g) {
5 g := getg()
6
7 casgstatus(gp, Gsyscall, _Grunnable)
8 dropg()
9 lock(&sched.lock)
10 _p := pidleget()
11 if p == nil {
12 // 如果 P 被人偷跑了
13 globrunqput(gp)
14 } else if atomic.Load(&sched.sysmonwait) != 0 {
15 atomic.Store(&sched.sysmonwait, 0)
16 notewakeup(&sched.sysmonnote)
17 }
18 unlock(&sched.lock)
19 if p != nil {
20 // 如果现在还有 p，那就用这个 p 执行
21 acquirep(p)
22 execute(gp, false) // Never returns.
23 }
24 if g.m.lockedg != 0 {
25 // 设置了 LockOsThread 的 g 的特殊逻辑
26 stoplockedm()
27 execute(gp, false) // Never returns.
28 }
29 stopm()
30 schedule() // Never returns.
31}

▎entersyscallblock

知道自己会 block，直接就把 p 交出来了。

1// 和 entersyscall 一样，就是会直接把 P 给交出去，因为知道自己是会阻塞的
2//go:nosplit
3func entersyscallblock(dummy int32) {
4 g := getg()
5
6 g.m.locks++ // see comment in entersyscall
7 g.throwsplit = true
8 g.stackguard0 = stackPreempt // see comment in entersyscall
9 g.m.syscalltick = g.m.p.ptr().syscalltick
10 g.sysblocktraced = true
11 g.m.p.ptr().syscalltick++
12
13 // Leave SP around for GC and traceback.
14 pc := getcallerpc()
15 sp := getcallersp(unsafe.Pointer(&dummy))
16 save(pc, sp)
17 g.syscallsp = g.sched.sp
18 g.syscallpc = g.sched.pc
19 if g.syscallsp < g.stack.lo || g.stack.hi < g.syscallsp {
20 sp1 := sp
21 sp2 := g.sched.sp
22 sp3 := g.syscallsp
23 systemstack(func() {
24 print(“entersyscallblock inconsistent “, hex(sp1), “ “, hex(sp2), “ “, hex(sp3), “ [“, hex(g.stack.lo), “,”, hex(g.stack.hi), “]\n”)
25 throw(“entersyscallblock”)
26 })
27 }
28 casgstatus(g, Grunning, _Gsyscall)
29 if _g.syscallsp < g.stack.lo || g.stack.hi < g.syscallsp {
30 systemstack(func() {
31 print(“entersyscallblock inconsistent “, hex(sp), “ “, hex(g.sched.sp), “ “, hex(g.syscallsp), “ [“, hex(g.stack.lo), “,”, hex(g.stack.hi), “]\n”)
32 throw(“entersyscallblock”)
33 })
34 }
35
36 // 直接调用 entersyscallblockhandoff 把 p 交出来了
37 systemstack(entersyscallblock_handoff)
38
39 // Resave for traceback during blocked call.
40 save(getcallerpc(), getcallersp(unsafe.Pointer(&dummy)))
41
42 _g.m.locks—
43}

这个函数只有一个调用方 notesleepg，这里就不再赘述了。

▎entersyscallblock_handoff

1func entersyscallblock_handoff() {
2 handoffp(releasep())
3}

比较简单。

▎entersyscall_sysmon

1func entersyscall_sysmon() {
2 lock(&sched.lock)
3 if atomic.Load(&sched.sysmonwait) != 0 {
4 atomic.Store(&sched.sysmonwait, 0)
5 notewakeup(&sched.sysmonnote)
6 }
7 unlock(&sched.lock)
8}

▎entersyscall_gcwait

1func entersyscallgcwait() {
2 _g := getg()
3 p := g.m.p.ptr()
4
5 lock(&sched.lock)
6 if sched.stopwait > 0 && atomic.Cas(&p.status, Psyscall, _Pgcstop) {
7 _p.syscalltick++
8 if sched.stopwait—; sched.stopwait == 0 {
9 notewakeup(&sched.stopnote)
10 }
11 }
12 unlock(&sched.lock)
13}

▎**总结**

提供给用户使用的系统调用，基本都会通知 runtime，以 entersyscall，exitsyscall 的形式来告诉 runtime，在这个 syscall 阻塞的时候，由 runtime 判断是否把 P 腾出来给其它的 M 用。解绑定指的是把 M 和 P 之间解绑，如果绑定被解除，在 syscall 返回时，这个 g 会被放入执行队列 runq 中。

同时 runtime 又保留了自己的特权，在执行自己的逻辑的时候，我的 P 不会被调走，这样保证了在 Go 自己“底层”使用的这些 syscall 返回之后都能被立刻处理。

所以同样是 epollwait，runtime 用的是不能被别人打断的，你用的 syscall.EpollWait 那显然是没有这种特权的。

▎**END**

参考资料如下
https://z.didi.cn/1HecgP