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Go中定时器实现原理及源码解析
内容导读
互联网集市收集整理的这篇技术教程文章主要介绍了Go中定时器实现原理及源码解析，小编现在分享给大家，供广大互联网技能从业者学习和参考。文章包含24148字，纯文字阅读大概需要35分钟。
内容图文
转载请声明出处哦~，本篇文章发布于luozhiyun的博客：https://www.luozhiyun.com
本文使用的go的源码15.7，需要注意的是由于timer是1.14版本进行改版，但是1.14和1.15版本的timer并无很大区别
我在春节期间写了一篇文章有关时间轮的：https://www.luozhiyun.com/archives/444。后来有同学建议我去看看 1.14版本之后的 timer 优化。然后我就自己就时间轮和 timer 也做了个 benchmark：
goos: darwin
goarch: amd64
pkg: gin-test/api/main
BenchmarkTimingWheel_StartStop/N-1m-12 4582120 254 ns/op 85 B/op 2 allocs/op
BenchmarkTimingWheel_StartStop/N-5m-12 3356630 427 ns/op 46 B/op 1 allocs/op
BenchmarkTimingWheel_StartStop/N-10m-12 2474842 483 ns/op 60 B/op 1 allocs/op
BenchmarkStandardTimer_StartStop/N-1m-12 6777975 179 ns/op 84 B/op 1 allocs/op
BenchmarkStandardTimer_StartStop/N-5m-12 6431217 231 ns/op 85 B/op 1 allocs/op
BenchmarkStandardTimer_StartStop/N-10m-12 5374492 266 ns/op 83 B/op 1 allocs/op
PASS
ok gin-test/api/main 60.414s
从上面可以直接看出，在添加了一千万个定时器后，时间轮的单次调用时间有明显的上涨，但是 timer 却依然很稳。
从官方的一个数据显示：
name old time/op new time/op delta
AfterFunc-12 1.57ms ± 1% 0.07ms ± 1% -95.42% (p=0.000 n=10+8)
After-12 1.63ms ± 3% 0.11ms ± 1% -93.54% (p=0.000 n=9+10)
Stop-12 78.3μs ± 3% 73.6μs ± 3% -6.01% (p=0.000 n=9+10)
SimultaneousAfterFunc-12 138μs ± 1% 111μs ± 1% -19.57% (p=0.000 n=10+9)
StartStop-12 28.7μs ± 1% 31.5μs ± 5% +9.64% (p=0.000 n=10+7)
Reset-12 6.78μs ± 1% 4.24μs ± 7% -37.45% (p=0.000 n=9+10)
Sleep-12 183μs ± 1% 125μs ± 1% -31.67% (p=0.000 n=10+9)
Ticker-12 5.40ms ± 2% 0.03ms ± 1% -99.43% (p=0.000 n=10+10)
...
在很多项测试中，性能确实得到了很大的增强。下面也就一起看看性能暴涨的原因。
介绍
1.13 版本的 timer
Go 在1.14版本之前是使用 64 个最小堆，运行时创建的所有计时器都会加入到最小堆中，每个处理器（P）创建的计时器会由对应的最小堆维护。
下面是1.13版本 runtime.time源码：
const timersLen = 64
var timers [timersLen]struct {
timersBucket
// padding， 防止false sharing
pad [sys.CacheLineSize - unsafe.Sizeof(timersBucket{})%sys.CacheLineSize]byte
}
// 获取 P 对应的 Bucket
func (t *timer) assignBucket() *timersBucket {
id := uint8(getg().m.p.ptr().id) % timersLen
t.tb = &timers[id].timersBucket
return t.tb
}
type timersBucket struct {
lock mutex
gp *g
created bool
sleeping bool
rescheduling bool
sleepUntil int64
waitnote note
// timer 列表
t []*timer
}
通过上面的 assignBucket 方法可以知道，如果当前机器上的处理器 P 的个数超过了 64，多个处理器上的计时器就可能存储在同一个桶 timersBucket 中。
每个桶负责管理一堆这样有序的 timer，同时每个桶都会有一个对应的 timerproc 异步任务来负责不断调度这些 timer。t
imerproc 会从 timersBucket 不断取堆顶元素，如果堆顶的 timer 已到期则执行，没有任务到期则 sleep，所有任务都消耗完了，那么调用 gopark 挂起，直到有新的 timer 被添加到桶中时，才会被重新唤醒。
timerproc 在 sleep 的时候会调用 notetsleepg ，继而引发entersyscallblock调用，该方法会主动调用 handoffp ，解绑 M 和 P。当下一个定时时间到来时，又会进行 M 和 P 的绑定，处理器 P 和线程 M 之间频繁的上下文切换也是 timer 的首要性能影响因素之一。
1.14 版本后 timer 的变化
在Go 在1.14版本之后，移除了timersBucket，所有的计时器都以最小四叉堆的形式存储 P 中。
type p struct {
...
// 互斥锁
timersLock mutex
// 存储计时器的最小四叉堆
timers []*timer
// 计时器数量
numTimers uint32
// 处于 timerModifiedEarlier 状态的计时器数量
adjustTimers uint32
// 处于 timerDeleted 状态的计时器数量
deletedTimers uint32
...
}
timer 不再使用 timerproc 异步任务来调度，而是改用调度循环或系统监控调度的时候进行触发执行，减少了线程之间上下文切换带来的性能损失，并且通过使用 netpoll 阻塞唤醒机制可以让 timer 更加及时的得到执行。
timer的使用
time.Timer计时器必须通过time.NewTimer、time.AfterFunc或者 time.After 函数创建。
如下time.NewTimer：
通过定时器的字段C,我们可以及时得知定时器到期的这个事件来临，C是一个chan time.Time类型的缓冲通道，一旦触及到期时间，定时器就会向自己的C字段发送一个time.Time类型的元素值
func main() {
//初始化定时器
t := time.NewTimer(2 * time.Second)
//当前时间
now := time.Now()
fmt.Printf("Now time : %v.\n", now)
expire := <- t.C
fmt.Printf("Expiration time: %v.\n", expire)
}
time.After一般是配合select来使用：
func main() {
ch1 := make(chan int, 1)
select {
case e1 := <-ch1:
//如果ch1通道成功读取数据，则执行该case处理语句
fmt.Printf("1th case is selected. e1=%v",e1)
case <- time.After(2 * time.Second):
fmt.Println("Timed out")
}
}
time.Afterfunc可以在设置时间过后执行一个函数：
func main() {
f := func(){
fmt.Printf("Expiration time : %v.\n", time.Now())
}
time.AfterFunc(1*time.Second, f)
time.Sleep(2 * time.Second)
}
分析
初始化&Timer结构体
我们先看看NewTimer方法是如何创建一个Timer的：
type Timer struct {
C <-chan Time
r runtimeTimer
}
func NewTimer(d Duration) *Timer {
// 初始化一个channel，用于返回
c := make(chan Time, 1)
t := &Timer{
C: c,
r: runtimeTimer{
when: when(d),
f: sendTime,
arg: c,
},
}
// 调用runtime.time的startTimer方法
startTimer(&t.r)
return t
}
func startTimer(*runtimeTimer)
NewTimer方法主要是初始化一个Timer，然后调用startTimer方法，并返回Timer。startTimer方法的真正逻辑并不在time包里面，我们可以使用到上一节提到的使用dlv调试汇编代码：
sleep.go:94 0xd8ea09 e872c7faff call $time.startTimer
得知startTimer实际上调用的是runtime.time.startTimer方法。也就是说time.Timer只是对runtime包中timer的一层wrap。这层自身实现的最核心功能是将底层的超时回调转换为发送channel消息。
下面我们看看runtime.startTimer：
func startTimer(t *timer) {
...
addtimer(t)
}
startTimer方法会将传入的runtimeTimer转为timer，然后调用addtimer方法。
在NewTimer方法中会初始化一个runtimeTimer结构体，这个结构体实际上会被当做runtime.time中的timer结构体传入到startTimer方法中，所以下面我们来看看timer：
type timer struct {
// 对应处理器P的指针
pp puintptr
// 定时器被唤醒的时间
when int64
// 唤醒的间隔时间
period int64
// 唤醒时被调用的函数
f func(interface{}, uintptr)
// 被调用的函数的参数
arg interface{}
seq uintptr
// 处于timerModifiedXX状态时用于设置when字段
nextwhen int64
// 定时器的状态
status uint32
}
除此之外，timer还有一些标志位来表示 status 状态：
const (
// 初始化状态
timerNoStatus = iota
// 等待被调用
// timer 已在 P 的列表中
timerWaiting
// 表示 timer 在运行中
timerRunning
// timer 已被删除
timerDeleted
// timer 正在被移除
timerRemoving
// timer 已被移除，并停止运行
timerRemoved
// timer 被修改了
timerModifying
// 被修改到了更早的时间
timerModifiedEarlier
// 被修改到了更晚的时间
timerModifiedLater
// 已经被修改，并且正在被移动
timerMoving
)
addtimer 新增 timer
runtime.addtimer
func addtimer(t *timer) {
// 定时器被唤醒的时间的时间不能为负数
if t.when < 0 {
t.when = maxWhen
}
// 状态必须为初始化
if t.status != timerNoStatus {
throw("addtimer called with initialized timer")
}
// 设置为等待调度
t.status = timerWaiting
when := t.when
// 获取当前 P
pp := getg().m.p.ptr()
lock(&pp.timersLock)
// 清理 P 的 timer 列表头中的 timer
cleantimers(pp)
// 将 timer 加入到 P 的最小堆中
doaddtimer(pp, t)
unlock(&pp.timersLock)
// 唤醒 netpoller 中休眠的线程
wakeNetPoller(when)
}
- addtimer 会对 timer 被唤醒的时间 when 进行校验，以及校验 status 必须是新出初始化的 timer；
- 接着会在加锁后调用 cleantimers 对 P 中对应的 timer 列表的头节点进行清理工作，清理完后调用 doaddtimer 将 timer 加入到 P 的最小堆中，并释放锁；
- 调用 wakeNetPoller 唤醒 netpoller 中休眠的线程。
下面分别来看看 addtimer 中几个重要函数的具体实现：
runtime.cleantimers
func cleantimers(pp *p) {
gp := getg()
for {
// 调度器列表为空，直接返回
if len(pp.timers) == 0 {
return
}
// 如果当前 G 被抢占了，直接返回
if gp.preemptStop {
return
}
// 获取第一个 timer
t := pp.timers[0]
if t.pp.ptr() != pp {
throw("cleantimers: bad p")
}
switch s := atomic.Load(&t.status); s {
case timerDeleted:
// 设置 timer 的状态
if !atomic.Cas(&t.status, s, timerRemoving) {
continue
}
// 删除第一个 timer
dodeltimer0(pp)
// 删除完毕后重置状态为 timerRemoved
if !atomic.Cas(&t.status, timerRemoving, timerRemoved) {
badTimer()
}
atomic.Xadd(&pp.deletedTimers, -1)
// timer 被修改到了更早或更晚的时间
case timerModifiedEarlier, timerModifiedLater:
// 将 timer 状态设置为 timerMoving
if !atomic.Cas(&t.status, s, timerMoving) {
continue
}
// 重新设置 when 字段
t.when = t.nextwhen
// 在列表中删除后重新加入
dodeltimer0(pp)
doaddtimer(pp, t)
if s == timerModifiedEarlier {
atomic.Xadd(&pp.adjustTimers, -1)
}
// 设置状态为 timerWaiting
if !atomic.Cas(&t.status, timerMoving, timerWaiting) {
badTimer()
}
default:
return
}
}
}
cleantimers 函数中使用了一个无限循环来获取头节点。如果头节点的状态是 timerDeleted ，那么需要从 timer 列表中删除；如果头节点的状态是 timerModifiedEarlier 或 timerModifiedLater ，表示头节点的触发的时间被修改到了更早或更晚的时间，那么就先从 timer队列中删除再重新添加。
runtime.doaddtimer
func doaddtimer(pp *p, t *timer) {
// Timers 依赖于 netpoller
// 所以如果 netpoller 没有启动，需要启动一下
if netpollInited == 0 {
netpollGenericInit()
}
// 校验是否早已在 timer 列表中
if t.pp != 0 {
throw("doaddtimer: P already set in timer")
}
// 设置 timer 与 P 的关联
t.pp.set(pp)
i := len(pp.timers)
// 将 timer 加入到 P 的 timer 列表中
pp.timers = append(pp.timers, t)
// 维护 timer 在 最小堆中的位置
siftupTimer(pp.timers, i)
// 如果 timer 是列表中头节点，需要设置一下 timer0When
if t == pp.timers[0] {
atomic.Store64(&pp.timer0When, uint64(t.when))
}
atomic.Xadd(&pp.numTimers, 1)
}
doaddtimer 函数实际上很简单，主要是将 timer 与 P 设置关联关系，并将 timer 加入到 P 的 timer 列表中，并维护 timer 列表最小堆的顺序。
runtime.wakeNetPoller
func wakeNetPoller(when int64) {
if atomic.Load64(&sched.lastpoll) == 0 {
pollerPollUntil := int64(atomic.Load64(&sched.pollUntil))
// 如果计时器的触发时间小于netpoller的下一次轮询时间
if pollerPollUntil == 0 || pollerPollUntil > when {
// 向netpollBreakWr里面写入数据，立即中断netpoll
netpollBreak()
}
}
}
func netpollBreak() {
if atomic.Cas(&netpollWakeSig, 0, 1) {
for {
var b byte
// 向 netpollBreakWr 里面写入数据
n := write(netpollBreakWr, unsafe.Pointer(&b), 1)
if n == 1 {
break
}
if n == -_EINTR {
continue
}
if n == -_EAGAIN {
return
}
println("runtime: netpollBreak write failed with", -n)
throw("runtime: netpollBreak write failed")
}
}
}
wakeNetPoller 主要是将 timer 下次调度的时间和 netpoller 的下一次轮询时间相比，如果小于的话，调用 netpollBreak 向 netpollBreakWr 里面写入数据，立即中断netpoll。具体如何中断的，我们下面再聊。
stopTimer 终止 timer
终止 timer 的逻辑主要是 timer 的状态的变更：
如果该timer处于 timerWaiting 或 timerModifiedLater 或 timerModifiedEarlier：
- timerModifying -> timerDeleted
如果该timer处于 其他状态:
- 待状态改变或者直接返回
所以在终止 timer 的过程中不会去删除 timer，而是标记一个状态，等待被删除。
modTimer 修改 timer
func modtimer(t *timer, when, period int64, f func(interface{}, uintptr), arg interface{}, seq uintptr) bool {
if when < 0 {
when = maxWhen
}
status := uint32(timerNoStatus)
wasRemoved := false
var pending bool
var mp *m
loop:
for {
// 修改 timer 状态
switch status = atomic.Load(&t.status); status {
...
}
t.period = period
t.f = f
t.arg = arg
t.seq = seq
// 如果 timer 已被删除，那么需要重新添加到 timer 列表中
if wasRemoved {
t.when = when
pp := getg().m.p.ptr()
lock(&pp.timersLock)
doaddtimer(pp, t)
unlock(&pp.timersLock)
if !atomic.Cas(&t.status, timerModifying, timerWaiting) {
badTimer()
}
releasem(mp)
wakeNetPoller(when)
} else {
t.nextwhen = when
newStatus := uint32(timerModifiedLater)
// 如果修改后的时间小于修改前的时间，将状态设置为 timerModifiedEarlier
if when < t.when {
newStatus = timerModifiedEarlier
}
...
if !atomic.Cas(&t.status, timerModifying, newStatus) {
badTimer()
}
releasem(mp)
// 如果修改时间提前，那么触发 netpoll 中断
if newStatus == timerModifiedEarlier {
wakeNetPoller(when)
}
}
return pending
}
modtimer 进入到 for 循环后会根据不同的状态做状态设置以及必要字段的处理；如果是 timer 已被删除，那么需要重新添加到 timer 列表中；如果 timer 修改后的时间小于修改前的时间，将状态设置为 timerModifiedEarlier，修改时间提前，还需要触发 netpoll 中断。
timer 的运行
聊完了如何添加 timer，下面我们来看看 timer 是如何运行的。timer 的运行是交给 runtime.runtimer函数执行的，这个函数会检查 P 上最小堆的最顶上的 timer 的状态，根据状态做不同的处理。
func runtimer(pp *p, now int64) int64 {
for {
// 获取最小堆的第一个元素
t := pp.timers[0]
if t.pp.ptr() != pp {
throw("runtimer: bad p")
}
// 获取 timer 状态
switch s := atomic.Load(&t.status); s {
// timerWaiting
case timerWaiting:
// 还没到时间，返回下次执行时间
if t.when > now {
// Not ready to run.
return t.when
}
// 修改状态为 timerRunning
if !atomic.Cas(&t.status, s, timerRunning) {
continue
}
// 运行该 timer
runOneTimer(pp, t, now)
return 0
// timerDeleted
case timerDeleted:
if !atomic.Cas(&t.status, s, timerRemoving) {
continue
}
// 删除最小堆的第一个 timer
dodeltimer0(pp)
if !atomic.Cas(&t.status, timerRemoving, timerRemoved) {
badTimer()
}
atomic.Xadd(&pp.deletedTimers, -1)
if len(pp.timers) == 0 {
return -1
}
// 需要重新移动位置的 timer
case timerModifiedEarlier, timerModifiedLater:
if !atomic.Cas(&t.status, s, timerMoving) {
continue
}
t.when = t.nextwhen
// 删除最小堆的第一个 timer
dodeltimer0(pp)
// 将该 timer 重新添加到最小堆
doaddtimer(pp, t)
if s == timerModifiedEarlier {
atomic.Xadd(&pp.adjustTimers, -1)
}
if !atomic.Cas(&t.status, timerMoving, timerWaiting) {
badTimer()
}
case timerModifying:
osyield()
case timerNoStatus, timerRemoved:
badTimer()
case timerRunning, timerRemoving, timerMoving:
badTimer()
default:
badTimer()
}
}
}
runtimer 里面会启动一个 for 循环，不停的检查 P 的 timer 列表的第一个元素的状态。
- 如果该 timer 处于 timerWaiting，那么判断当前的时间大于 timer 执行的时间，则调用 runOneTimer 执行；
- 如果该 timer 处于 timerDeleted，表示该 timer 是需要被删除的，那么调用 dodeltimer0 删除最小堆的第一个 timer ，并修改其状态；
- 如果该 timer 状态是 timerModifiedEarlier 、timerModifiedLater，那么表示该 timer 的执行时间被修改过，需要重新调整它在最小堆中的位置，所以先调用 dodeltimer0 删除该 timer，再调用 doaddtimer 将该 timer 重新添加到最小堆。
runtime.runOneTimer
func runOneTimer(pp *p, t *timer, now int64) {
...
// 需要被执行的函数
f := t.f
// 被执行函数的参数
arg := t.arg
seq := t.seq
// 表示该 timer 为 ticker，需要再次触发
if t.period > 0 {
// 放入堆中并调整触发时间
delta := t.when - now
t.when += t.period * (1 + -delta/t.period)
siftdownTimer(pp.timers, 0)
if !atomic.Cas(&t.status, timerRunning, timerWaiting) {
badTimer()
}
updateTimer0When(pp)
// 一次性 timer
} else {
// 删除该 timer.
dodeltimer0(pp)
if !atomic.Cas(&t.status, timerRunning, timerNoStatus) {
badTimer()
}
}
unlock(&pp.timersLock)
// 运行该函数
f(arg, seq)
lock(&pp.timersLock)
...
}
runOneTimer 会根据 period 是否大于0判断该 timer 是否需要反复执行，如果是的话需要重新调整 when 下次执行时间后重新调整该 timer 在堆中的位置。一次性 timer 的话会执行 dodeltimer0 删除该 timer ，最后运行 timer 中的函数；
timer 的触发
下面这里是我觉得比较有意思的地方，timer 的触发有两种：
-
从调度循环中直接触发；
-
另一种是Go语言的后台系统监控中会定时触发；
调度循环触发
调度循环，我在这篇文章 https://www.luozhiyun.com/archives/448 已经讲的很清楚了，不明白的同学可以自己再去看看。
整个调度循环会有三个地方去检查是否有可执行的 timer：
- 调用
runtime.schedule执行调度时； - 调用
runtime.findrunnable获取可执行函数时； - 调用
runtime.findrunnable执行抢占时；
runtime.schedule
func schedule() {
_g_ := getg()
...
top:
pp := _g_.m.p.ptr()
...
// 检查是否有可执行 timer 并执行
checkTimers(pp, 0)
var gp *g
...
if gp == nil {
gp, inheritTime = findrunnable() // blocks until work is available
}
...
execute(gp, inheritTime)
}
下面我们看看 checkTimers 做了什么：
runtime.checkTimers
func checkTimers(pp *p, now int64) (rnow, pollUntil int64, ran bool) {
// 如果没有需要调整的 timer
if atomic.Load(&pp.adjustTimers) == 0 {
// 获取 timer0 的执行时间
next := int64(atomic.Load64(&pp.timer0When))
if next == 0 {
return now, 0, false
}
if now == 0 {
now = nanotime()
}
// 下次执行大于当前时间，
if now < next {
// 需要删除的 timer 个数小于 timer列表个数的4分之1，直接返回
if pp != getg().m.p.ptr() || int(atomic.Load(&pp.deletedTimers)) <= int(atomic.Load(&pp.numTimers)/4) {
return now, next, false
}
}
}
lock(&pp.timersLock)
// 进行调整 timer
adjusttimers(pp)
rnow = now
if len(pp.timers) > 0 {
if rnow == 0 {
rnow = nanotime()
}
for len(pp.timers) > 0 {
// 查找堆中是否存在需要执行的 timer
if tw := runtimer(pp, rnow); tw != 0 {
if tw > 0 {
pollUntil = tw
}
break
}
ran = true
}
}
// 如果需要删除的 timer 超过了 timer 列表数量的四分之一，那么清理需要删除的 timer
if pp == getg().m.p.ptr() && int(atomic.Load(&pp.deletedTimers)) > len(pp.timers)/4 {
clearDeletedTimers(pp)
}
unlock(&pp.timersLock)
return rnow, pollUntil, ran
}
checkTimers 中主要做了这么几件事：
- 检查是否有需要进行调整的 timer， 如果没有需要执行的计时器时，直接返回；如果下一个要执行的 timer 没有到期并且需要删除的计时器较少（四分之一）时也会直接返回；
- 调用 adjusttimers 进行 timer 列表的调整，主要是维护 timer 列表的最小堆的顺序；
- 调用
runtime.runtimer查找堆中是否存在需要执行的timer，runtime.runtimer上面已经讲过了，这里不再赘述； - 如果当前 Goroutine 的 P 和传入的 P 相同，并且需要删除的 timer 超过了 timer 列表数量的四分之一，那么调用 clearDeletedTimers 清理需要删除的 timer；
runtime.findrunnable
func findrunnable() (gp *g, inheritTime bool) {
_g_ := getg()
top:
_p_ := _g_.m.p.ptr()
...
// 检查 P 中可执行的 timer
now, pollUntil, _ := checkTimers(_p_, 0)
...
// 如果 netpoll 已被初始化，并且 Waiters 大于零，并且 lastpoll 不为0
if netpollinited() && atomic.Load(&netpollWaiters) > 0 && atomic.Load64(&sched.lastpoll) != 0 {
// 尝试从netpoller获取Glist
if list := netpoll(0); !list.empty() { // 无阻塞
gp := list.pop()
//将其余队列放入 P 的可运行G队列
injectglist(&list)
casgstatus(gp, _Gwaiting, _Grunnable)
if trace.enabled {
traceGoUnpark(gp, 0)
}
return gp, false
}
}
...
// 开始窃取
for i := 0; i < 4; i++ {
for enum := stealOrder.start(fastrand()); !enum.done(); enum.next() {
if sched.gcwaiting != 0 {
goto top
}
// 如果 i>2 表示如果其他 P 运行队列中没有 G ，将要从其他队列的 runnext 中获取
stealRunNextG := i > 2 // first look for ready queues with more than 1 g
// 随机获取一个 P
p2 := allp[enum.position()]
if _p_ == p2 {
continue
}
// 从其他 P 的运行队列中获取一般的 G 到当前队列中
if gp := runqsteal(_p_, p2, stealRunNextG); gp != nil {
return gp, false
}
// 如果运行队列中没有 G，那么从 timers 中获取可执行的 timer
if i > 2 || (i > 1 && shouldStealTimers(p2)) {
// ran 为 true 表示有执行过 timer
tnow, w, ran := checkTimers(p2, now)
now = tnow
if w != 0 && (pollUntil == 0 || w < pollUntil) {
pollUntil = w
}
if ran {
// 因为已经运行过 timer 了，说不定已经有准备就绪的 G 了
// 再次检查本地队列尝试获取 G
if gp, inheritTime := runqget(_p_); gp != nil {
return gp, inheritTime
}
ranTimer = true
}
}
}
}
if ranTimer {
// 执行完一个 timer 后可能存在已经就绪的 G
goto top
}
stop:
...
delta := int64(-1)
if pollUntil != 0 {
// checkTimers ensures that polluntil > now.
delta = pollUntil - now
}
...
// poll network
// 休眠前再次检查 poll 网络
if netpollinited() && (atomic.Load(&netpollWaiters) > 0 || pollUntil != 0) && atomic.Xchg64(&sched.lastpoll, 0) != 0 {
...
list := netpoll(delta) // 阻塞调用
lock(&sched.lock)
_p_ = pidleget()
unlock(&sched.lock)
if _p_ == nil {
injectglist(&list)
} else {
acquirep(_p_)
if !list.empty() {
gp := list.pop()
injectglist(&list)
casgstatus(gp, _Gwaiting, _Grunnable)
if trace.enabled {
traceGoUnpark(gp, 0)
}
return gp, false
}
goto top
}
} else if pollUntil != 0 && netpollinited() {
pollerPollUntil := int64(atomic.Load64(&sched.pollUntil))
if pollerPollUntil == 0 || pollerPollUntil > pollUntil {
netpollBreak()
}
}
// 休眠当前 M
stopm()
goto top
}
findrunnable 我在这篇文章 https://www.luozhiyun.com/archives/448 已经讲的很清楚了，这里提取 timer 相关的代码分析一下：
- findrunnable 在窃取前先会调用 checkTimers 检查 P 中可执行的 timer；
- 如果 netpoll 中有等待的 waiter，那么会调用 netpoll 尝试无阻塞的从netpoller获取Glist；
- 如果获取不到可执行的 G，那么就会开始执行窃取。窃取的时候会调用 checkTimers 随机从其他的 P 中获取 timer；
- 窃取完毕后也没有可执行的 timer，那么会继续往下，休眠前再次检查 netpoll 网络，调用 netpoll(delta) 函数进行阻塞调用。
系统监控触发
系统监控其实就是 Go 语言的守护进程，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。它会每隔一段时间检查 Go 语言运行时状态，确保没有异常发生。我们这里不主要去讲系统监控，只抽离出其中的和 timer 相关的代码进行讲解。
runtime.sysmon
func sysmon() {
...
for {
...
now := nanotime()
// 返回下次需要调度 timer 到期时间
next, _ := timeSleepUntil()
...
// 如果超过 10ms 没有 poll，则 poll 一下网络
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) // 非阻塞，返回 G 列表
// G 列表不为空
if !list.empty() {
incidlelocked(-1)
// 将获取到的 G 列表插入到空闲的 P 中或全局列表中
injectglist(&list)
incidlelocked(1)
}
}
// 如果有 timer 到期
if next < now {
// 启动新的 M 处理 timer
startm(nil, false)
}
...
}
}
- sysmon 会通过 timeSleepUntil 遍历所有的 P 的 timer 列表，找到下一个需要执行的 timer；
- 如果超过 10ms 没有 poll，则 poll 一下网络；
- 如果有 timer 到期，这个时候直接启动新的 M 处理 timer；
netpoll 的作用
我们从一开始调用 runtime.addtimer 添加 timer 的时候，就会 runtime.wakeNetPoller来中断 netpoll ，那么它是如何做到的？我们下面先来看一个官方的例子：
func TestNetpollBreak(t *testing.T) {
if runtime.GOMAXPROCS(0) == 1 {
t.Skip("skipping: GOMAXPROCS=1")
}
// 初始化 netpoll
runtime.NetpollGenericInit()
start := time.Now()
c := make(chan bool, 2)
go func() {
c <- true
// netpoll 等待时间
runtime.Netpoll(10 * time.Second.Nanoseconds())
c <- true
}()
<-c
loop:
for {
runtime.Usleep(100)
// 中断netpoll 等待
runtime.NetpollBreak()
runtime.NetpollBreak()
select {
case <-c:
break loop
default:
}
}
if dur := time.Since(start); dur > 5*time.Second {
t.Errorf("netpollBreak did not interrupt netpoll: slept for: %v", dur)
}
}
在上面这个例子中，首先会调用 runtime.Netpoll进行阻塞等待，然后循环调度 runtime.NetpollBreak进行中断阻塞。
runtime.netpoll
func netpoll(delay int64) gList {
if epfd == -1 {
return gList{}
}
var waitms int32
// 因为传入delay单位是纳秒，下面将纳秒转换成毫秒
if delay < 0 {
waitms = -1
} else if delay == 0 {
waitms = 0
} else if delay < 1e6 {
waitms = 1
} else if delay < 1e15 {
waitms = int32(delay / 1e6)
} else {
waitms = 1e9
}
var events [128]epollevent
retry:
// 等待文件描述符转换成可读或者可写
n := epollwait(epfd, &events[0], int32(len(events)), waitms)
// 返回负值，那么重新调用epollwait进行等待
if n < 0 {
...
goto retry
}
var toRun gList
for i := int32(0); i < n; i++ {
ev := &events[i]
if ev.events == 0 {
continue
}
// 如果是 NetpollBreak 中断的，那么执行 continue 跳过
if *(**uintptr)(unsafe.Pointer(&ev.data)) == &netpollBreakRd {
if ev.events != _EPOLLIN {
println("runtime: netpoll: break fd ready for", ev.events)
throw("runtime: netpoll: break fd ready for something unexpected")
}
if delay != 0 {
var tmp [16]byte
read(int32(netpollBreakRd), noescape(unsafe.Pointer(&tmp[0])), int32(len(tmp)))
atomic.Store(&netpollWakeSig, 0)
}
continue
}
...
}
return toRun
}
在 调用runtime.findrunnable执行抢占时，最后会传入一个时间，超时阻塞调用 netpoll，如果没有事件中断，那么循环调度会一直等待直到 netpoll 超时后才往下进行：
func findrunnable() (gp *g, inheritTime bool) {
...
delta := int64(-1)
if pollUntil != 0 {
// checkTimers ensures that polluntil > now.
delta = pollUntil - now
}
...
// poll network
// 休眠前再次检查 poll 网络
if netpollinited() && (atomic.Load(&netpollWaiters) > 0 || pollUntil != 0) && atomic.Xchg64(&sched.lastpoll, 0) != 0 {
...
// 阻塞调用
list := netpoll(delta)
}
...
// 休眠当前 M
stopm()
goto top
}
所以在调用 runtime.addtimer 添加 timer 的时候进行 netpoll 的中断操作可以更加灵敏的响应 timer 这类时间敏感的任务。
总结
我们通过 timer 的 1.13版本以及1.14版本后的对比可以发现，即使是一个定时器 go 语言都做了相当多的优化工作。从原来的需要维护 64 个桶，然后每个桶里面跑异步任务，到现在的将 timer列表直接挂到了 P 上面，这不仅减少了上下文切换带来的性能损耗，也减少了在锁之间的争抢问题，通过这些优化后有了可以媲美时间轮的性能表现。
Reference
go1.14基于netpoll优化timer定时器实现原理 http://xiaorui.cc/archives/6483
https://github.com/golang/go/commit/6becb033341602f2df9d7c55cc23e64b925bbee2
https://github.com/golang/go/commit/76f4fd8a5251b4f63ea14a3c1e2fe2e78eb74f81
计时器 https://golang.design/under-the-hood/zh-cn/part2runtime/ch06sched/timer/
《Golang》Netpoll解析 https://www.pefish.club/2020/05/04/Golang/1011Netpoll解析/
time.Timer 源码分析 https://docs.google.com/presentation/d/1c2mRWA-FiihgpbGsE4uducou7X5d4WoiiLVab-ewsT8/edit#slide=id.g6d01ce596e_0_77
内容总结
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