Go 调度器跟踪

这是William Kennedy写的第二篇文章: Scheduler Tracing In Go, 第一篇为 Stack Traces In Go

本文主要介绍如何跟踪Go的调度器Scheduler的活动。

介绍

我喜欢Go的原因之一就是能够产生概要(profiling)和调试信息。当你的程序运行时,GODEBUG环境变量可以产生运行时的调试信息。你可以请求垃圾回收器和调度器(scheduler)的摘要信息和细节。关键是你不需要额外创建单独的编译程序就可以实现。

在本文中,我将演示如何理解一个简单的并发Go程序的调度器跟踪信息。如果你已经有Go调度器的基本概念,对阅读本文会很有帮助, 在开始下面的介绍前我建议你阅读下面的两篇文章:

  1. Concurrency, Goroutines and GOMAXPROCS
  2. Go Scheduler

代码

下面的代码就是用来演示用的例子。

列表1
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package main
import (
"sync"
"time"
)
func main() {
var wg sync.WaitGroup
wg.Add(10)
for i := 0; i < 10; i++ {
go work(&wg)
}
wg.Wait()
// Wait to see the global run queue deplete.
time.Sleep(3 * time.Second)
}
func work(wg *sync.WaitGroup) {
time.Sleep(time.Second)
var counter int
for i := 0; i < 1e10; i++ {
counter++
}
wg.Done()
}

列表1的第12行使用一个for循环创建10个goroutine,第16行main函数中等待所有的goroutine完成任务。第22行的work函数先sleep 1秒,然后计数 10亿次。一旦计数完成,调用waitGroup的Done方法然后返回。

首先go build程序,然后运行时设置GODEBUG环境变量。这个变量会被运行时读取,所以Go命令也会产生跟踪信息。如果在运行go run命令的时候设置了GODEBUG变量,在程序运行之前就会看到跟踪信息。

所以还是让我们先编译程序:

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go build example.go

调度器摘要信息

schedtrace参数告诉运行时打印一行调度器的摘要信息到标准err输出中,时间间隔可以指定,单位毫秒,如下所示:

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GOMAXPROCS=1 GODEBUG=schedtrace=1000 ./example

译者注: 如果在windows下可以运行 set GOMAXPROCS=1 && set GODEBUG=schedtrace=1000 && example

程序开始后每个一秒就会打印一行调度器的概要信息,程序本身没有任何输出,所以我们只关注输出的跟踪信息。让我们先看前两行:

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SCHED 0ms: gomaxprocs=1 idleprocs=0 threads=2 spinningthreads=0 idlethreads=0
runqueue=0 [1]
SCHED 1009ms: gomaxprocs=1 idleprocs=0 threads=3 spinningthreads=0 idlethreads=1
runqueue=0 [9]

让我们分解每一个项,看看它们分别代表什么含义。

输出项 意义
1009ms 自从程序开始的毫秒数
gomaxprocs=1 配置的处理器数(逻辑的processor,也就是Go模型中的P,会通过操作系统的线程绑定到一个物理处理器上)
threads=3 运行期管理的线程数,目前三个线程
idlethreads=1 空闲的线程数,当前一个线程空闲,两个忙
idleprocs=0 空闲的处理器数,当前0个空闲
runqueue=0 在全局的run队列中的goroutine数,目前所有的goroutine都被移动到本地run队列
[9] 本地run队列中的goroutine数,目前9个goroutine在本地run队列中等待

Go运行时给了我们很多有用的摘要信息。当我们看第一秒的跟踪数据时,我们看到一个goroutine正在运行,而其它9个都在等待:
图1

图1中处理器由字符P代表,线程由M代表,goroutine由G代表。我们看到全局run队列为空,处理器正在执行一个goroutine。其余9在本地队列中等待。

如果我们配置多个处理器会怎样呢?让我们增加GOMAXPROCS 看看输出结果:

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GOMAXPROCS=2 GODEBUG=schedtrace=1000 ./example
SCHED 0ms: gomaxprocs=2 idleprocs=1 threads=2 spinningthreads=0
idlethreads=0 runqueue=0 [0 0]
SCHED 1002ms: gomaxprocs=2 idleprocs=0 threads=4 spinningthreads=1
idlethreads=1 runqueue=0 [0 4]
SCHED 2006ms: gomaxprocs=2 idleprocs=0 threads=4 spinningthreads=0
idlethreads=1 runqueue=0 [4 4]
SCHED 6024ms: gomaxprocs=2 idleprocs=0 threads=4 spinningthreads=0
idlethreads=1 runqueue=2 [3 3]
SCHED 10049ms: gomaxprocs=2 idleprocs=0 threads=4 spinningthreads=0
idlethreads=1 runqueue=4 [2 2]
SCHED 13067ms: gomaxprocs=2 idleprocs=0 threads=4 spinningthreads=0
idlethreads=1 runqueue=6 [1 1]
SCHED 17084ms: gomaxprocs=2 idleprocs=0 threads=4 spinningthreads=0
idlethreads=1 runqueue=8 [0 0]
SCHED 21100ms: gomaxprocs=2 idleprocs=2 threads=4 spinningthreads=0
idlethreads=2 runqueue=0 [0 0]

让我们将视线放在第二秒:

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SCHED 2002ms: gomaxprocs=2 idleprocs=0 threads=4 spinningthreads=0
idlethreads=1 runqueue=0 [4 4]
2002ms : This is the trace for the 2 second mark.
gomaxprocs=2 : 2 processors are configured for this program.
threads=4 : 4 threads exist. 2 for processors and 2 for the runtime.
idlethreads=1 : 1 idle thread (3 threads running).
idleprocs=0 : 0 processors are idle (2 processors busy).
runqueue=0 : All runnable goroutines have been moved to a local run queue.
[4 4] : 4 goroutines are waiting inside each local run queue.

图2

让我们看第二秒的信息,可以看到goroutine是如何被处理器运行的。我们也可以看到有8个goroutine在本地run队列中等待,每个本地run队列包含4个等待的goroutine。

让我们再来看第6秒的信息:

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SCHED 6024ms: gomaxprocs=2 idleprocs=0 threads=4 spinningthreads=0
idlethreads=1 runqueue=2 [3 3]
idleprocs=0 : 0 processors are idle (2 processors busy).
runqueue=2 : 2 goroutines returned and are waiting to be terminated.
[3 3] : 3 goroutines are waiting inside each local run queue.

图3

第6秒数据有些变化,如图3所示,两个goroutine完成了它们的任务,放回到全局run队列中。当然我们还是有两个goruntine在运行(G6,G7),每个P运行一个。每个本地run队列中还有3个goroutine在等待。

注意:
在很多情况下goroutine在终止前并没有被放回到全局run队列。本文中的例子比较特殊,它的方法体是一个for循环,并没有调用其它函数,而且运行时间超过10ms。10毫秒是调度器的调度标杆,过了10毫秒的执行时间,调度器就会尝试占用(preempt)这个goroutine。本例中的goroutine没有被占用是因为它们没有调用其它函数。本例中一旦goroutine执行到wg.Done调用,它们立即被占用,然后移动到全局run队列等待终止。

在17秒我们看到只有两个goroutine还在运行:

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SCHED 17084ms: gomaxprocs=2 idleprocs=0 threads=4 spinningthreads=0
idlethreads=1 runqueue=8 [0 0]
idleprocs=0 : 0 processors are idle (2 processors busy).
runqueue=8 : 8 goroutines returned and are waiting to be terminated.
[0 0] : No goroutines are waiting inside any local run queue.

图4

从图4可以看出,8个goroutine被移动到全局run队列等待终止。两个goroutine(G12和G13)还在运行,本地run队列都为空。

最后在第21秒:

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SCHED 21100ms: gomaxprocs=2 idleprocs=2 threads=4 spinningthreads=0
idlethreads=2 runqueue=0 [0 0]
idleprocs=2 : 2 processors are idle (0 processors busy).
runqueue=0 : All the goroutines that were in the queue have been terminated.
[0 0] : No goroutines are waiting inside any local run queue.

图5
如图5所示,这时那10个goroutine都已经完成任务被终止。

调度器跟踪信息的细节

调度器的摘要信息很有帮助,但是有时候你需要更深入的了解它的细节。在这种情况下,我们可以使用scheddetail 参数,可以提供处理器P,线程M和goroutine G的细节。让我们再运行一下程序,增加scheddetail 参数:

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GOMAXPROCS=2 GODEBUG=schedtrace=1000,scheddetail=1 ./example

下面的日志是第4秒的输出:

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SCHED 4028ms: gomaxprocs=2 idleprocs=0 threads=4 spinningthreads=0
idlethreads=1 runqueue=2 gcwaiting=0 nmidlelocked=0 stopwait=0 sysmonwait=0
P0: status=1 schedtick=10 syscalltick=0 m=3 runqsize=3 gfreecnt=0
P1: status=1 schedtick=10 syscalltick=1 m=2 runqsize=3 gfreecnt=0
M3: p=0 curg=4 mallocing=0 throwing=0 gcing=0 locks=0 dying=0 helpgc=0 spinning=0 blocked=0 lockedg=-1
M2: p=1 curg=10 mallocing=0 throwing=0 gcing=0 locks=0 dying=0 helpgc=0 spinning=0 blocked=0 lockedg=-1
M1: p=-1 curg=-1 mallocing=0 throwing=0 gcing=0 locks=1 dying=0 helpgc=0 spinning=0 blocked=0 lockedg=-1
M0: p=-1 curg=-1 mallocing=0 throwing=0 gcing=0 locks=0 dying=0 helpgc=0 spinning=0 blocked=0 lockedg=-1
G1: status=4(semacquire) m=-1 lockedm=-1
G2: status=4(force gc (idle)) m=-1 lockedm=-1
G3: status=4(GC sweep wait) m=-1 lockedm=-1
G4: status=2(sleep) m=3 lockedm=-1
G5: status=1(sleep) m=-1 lockedm=-1
G6: status=1(stack growth) m=-1 lockedm=-1
G7: status=1(sleep) m=-1 lockedm=-1
G8: status=1(sleep) m=-1 lockedm=-1
G9: status=1(stack growth) m=-1 lockedm=-1
G10: status=2(sleep) m=2 lockedm=-1
G11: status=1(sleep) m=-1 lockedm=-1
G12: status=1(sleep) m=-1 lockedm=-1
G13: status=1(sleep) m=-1 lockedm=-1
G17: status=4(timer goroutine (idle)) m=-1 lockedm=-1

摘要信息是类似的,但是包含了处理器、线程和goroutine的信息。首先看一下处理器P的信息:

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P0: status=1 schedtick=10 syscalltick=0 m=3 runqsize=3 gfreecnt=0
P1: status=1 schedtick=10 syscalltick=1 m=2 runqsize=3 gfreecnt=0

我们设置了两个处理器,因此有两行数据。下面是线程的信息:

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M3: p=0 curg=4 mallocing=0 throwing=0 gcing=0 locks=0 dying=0 helpgc=0
spinning=0 blocked=0 lockedg=-1
M2: p=1 curg=10 mallocing=0 throwing=0 gcing=0 locks=0 dying=0 helpgc=0
spinning=0 blocked=0 lockedg=-1
M1: p=-1 curg=-1 mallocing=0 throwing=0 gcing=0 locks=1 dying=0 helpgc=0
spinning=0 blocked=0 lockedg=-1
M0: p=-1 curg=-1 mallocing=0 throwing=0 gcing=0 locks=0 dying=0 helpgc=0
spinning=0 blocked=0 lockedg=-1

在摘要信息中我们看到线程设置为4(threads=4),所以下面会有4行关于线程M的信息。而且日志细节显示了哪个线程隶属哪个处理器M3: p=0

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P0: status=1 schedtick=10 syscalltick=0 m=3 runqsize=3 gfreecnt=0
M3: p=0 curg=4 mallocing=0 throwing=0 gcing=0 locks=0 dying=0 helpgc=0
spinning=0 blocked=0 lockedg=-1

我们看到线程M3隶属P0。

G代表goroutine。第4秒我们看到有14个goroutine, 但是自程序启动已经创建了17个线程。我们怎么知道的17个线程呢,这是从最后的goroutine的标志G17得到:

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G17: status=4(timer goroutine (idle)) m=-1 lockedm=-1

如果程序持续创建goroutine,这个数会线性的增大。如果使用标准库net/http处理http请求,因为每个连接都会创建一个goroutine,我们可以根据这个数据得到多少request被处理,当然得在程序不会创建其它的goroutine情况下这个数才能作为预估的数量。

让我们看看运行main函数的goroutine:

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G1: status=4(semacquire) m=-1 lockedm=-1

可以看到这个goroutine的status是4, 阻塞在semacquire上(WaitGroup的Wait方法)。

为了更好的理解其它goroutine的状态,我们需要了解每个status值代表的含义。下面是一个列表:

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status: http://golang.org/src/runtime/runtime.h
Gidle, // 0
Grunnable, // 1 runnable and on a run queue
Grunning, // 2 running
Gsyscall, // 3 performing a syscall
Gwaiting, // 4 waiting for the runtime
Gmoribund_unused, // 5 currently unused, but hardcoded in gdb scripts
Gdead, // 6 goroutine is dead
Genqueue, // 7 only the Gscanenqueue is used
Gcopystack, // 8 in this state when newstack is moving the stack

看看我们创建的10个goroutine,现在我们能更好的理解它们的状态:

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// Goroutines running in a processor. (idleprocs=0)
G4: status=2(sleep) m=3 lockedm=-1 – Thread M3 / Processor P0
G10: status=2(sleep) m=2 lockedm=-1 – Thread M2 / Processor P1
// Goroutines waiting to be run on a particular processor. (runqsize=3)
G5: status=1(sleep) m=-1 lockedm=-1
G7: status=1(sleep) m=-1 lockedm=-1
G8: status=1(sleep) m=-1 lockedm=-1
// Goroutines waiting to be run on a particular processor. (runqsize=3)
G11: status=1(sleep) m=-1 lockedm=-1
G12: status=1(sleep) m=-1 lockedm=-1
G13: status=1(sleep) m=-1 lockedm=-1
// Goroutines waiting on the global run queue. (runqueue=2)
G6: status=1(stack growth) m=-1 lockedm=-1
G9: status=1(stack growth) m=-1 lockedm=-1

了解了调度器的基本概念和我们的程序的行为,我们可以深入了解Go是如何进行调度的,每个P,M,G的状态。

结论

GODEBUG变量非常好,可以深入了解调度器的行为。它也可以告诉你你的程序的行为。如果你想了解更多,动手写一些简单的程序,跟踪调度器的运行,然后就可以跟踪更复杂的程序了。

译者注: GO的参数的介绍可以查看文档 https://golang.org/pkg/runtime/#hdr-Environment_Variables

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