详解 Go 程序的启动流程，你知道 g0，m0 是什么吗？

在今天这篇文章中，我们详细的介绍了 Go 语言的引导启动过程中的所有流程和初始化动作。同时针对调度器的初始化进行了初步分析，详细介绍了 m0、g0 的用途和区别。

ldxxxxll

1568人浏览 · 2024-05-03 10:34:51

ldxxxxll · 2024-05-03 10:34:51 发布

自古应用程序均从 Hello World 开始，你我所写的 Go 语言亦然：

import "fmt"

func main() {
	fmt.Println("hello world.")
}

这段程序的输出结果为 hello world.，就是这么的简单又直接。但这时候又不禁思考了起来，这个 hello world. 是怎么输出来，经历了什么过程。
真是非常的好奇，今天我们就一起来探一探 Go 程序的启动流程。
其中涉及到 Go Runtime 的调度器启动，g0，m0 又是什么？

Go 引导阶段

查找入口

首先编译上文提到的示例程序：

$ GOFLAGS="-ldflags=-compressdwarf=false" go build

在命令中指定了 GOFLAGS 参数，这是因为在 Go1.11 起，为了减少二进制文件大小，调试信息会被压缩。导致在 MacOS 上使用 gdb 时无法理解压缩的 DWARF 的含义是什么（而我恰恰就是用的 MacOS）。
因此需要在本次调试中将其关闭，再使用 gdb 进行调试，以此达到观察的目的：

$ gdb awesomeProject 
(gdb) info files
Symbols from "/Users/eddycjy/go-application/awesomeProject/awesomeProject".
Local exec file:
	`/Users/eddycjy/go-application/awesomeProject/awesomeProject', file type mach-o-x86-64.
	Entry point: 0x1063c80
	0x0000000001001000 - 0x00000000010a6aca is .text
	...
(gdb) b *0x1063c80
Breakpoint 1 at 0x1063c80: file /usr/local/Cellar/go/1.15/libexec/src/runtime/rt0_darwin_amd64.s, line 8.

通过 Entry point 的调试，可看到真正的程序入口在 runtime 包中，不同的计算机架构指向不同。例如：

MacOS 在 src/runtime/rt0_darwin_amd64.s。
Linux 在 src/runtime/rt0_linux_amd64.s。

其最终指向了 rt0_darwin_amd64.s 文件，这个文件名称非常的直观：

Breakpoint 1 at 0x1063c80: file /usr/local/Cellar/go/1.15/libexec/src/runtime/rt0_darwin_amd64.s, line 8.

rt0 代表 runtime0 的缩写，指代运行时的创世，超级奶爸：

darwin 代表目标操作系统（GOOS）。
amd64 代表目标操作系统架构（GOHOSTARCH）。

同时 Go 语言还支持更多的目标系统架构，例如：AMD64、AMR、MIPS、WASM 等：
在这里插入图片描述
若有兴趣可到 src/runtime 目录下进一步查看，这里就不一一介绍了。

入口方法

在 rt0_linux_amd64.s 文件中，可发现 _rt0_amd64_darwin JMP 跳转到了 _rt0_amd64 方法：

TEXT _rt0_amd64_darwin(SB),NOSPLIT,$-8
	JMP	_rt0_amd64(SB)
...

紧接着又跳转到 runtime·rt0_go 方法：

TEXT _rt0_amd64(SB),NOSPLIT,$-8
	MOVQ	0(SP), DI	// argc
	LEAQ	8(SP), SI	// argv
	JMP	runtime·rt0_go(SB)

该方法将程序输入的 argc 和 argv 从内存移动到寄存器中。

栈指针（SP）的前两个值分别是 argc 和 argv，其对应参数的数量和具体各参数的值。

开启主线

程序参数准备就绪后，正式初始化的方法落在 runtime·rt0_go 方法中：

TEXT runtime·rt0_go(SB),NOSPLIT,$0
	...
	CALL	runtime·check(SB)
	MOVL	16(SP), AX		// copy argc
	MOVL	AX, 0(SP)
	MOVQ	24(SP), AX		// copy argv
	MOVQ	AX, 8(SP)
	CALL	runtime·args(SB)
	CALL	runtime·osinit(SB)
	CALL	runtime·schedinit(SB)

	// create a new goroutine to start program
	MOVQ	$runtime·mainPC(SB), AX		// entry
	PUSHQ	AX
	PUSHQ	$0			// arg size
	CALL	runtime·newproc(SB)
	POPQ	AX
	POPQ	AX

	// start this M
	CALL	runtime·mstart(SB)
	...

runtime.check：运行时类型检查，主要是校验编译器的翻译工作是否正确，是否有 “坑”。基本代码均为检查 int8 在 unsafe.Sizeof 方法下是否等于 1 这类动作。
runtime.args：系统参数传递，主要是将系统参数转换传递给程序使用。
runtime.osinit：系统基本参数设置，主要是获取 CPU 核心数和内存物理页大小。
runtime.schedinit：进行各种运行时组件的初始化，包含调度器、内存分配器、堆、栈、GC 等一大堆初始化工作。会进行 p 的初始化，并将 m0 和某一个 p 进行绑定。
runtime.main：主要工作是运行 main goroutine，虽然在runtime·rt0_go 中指向的是$runtime·mainPC，但实质指向的是 runtime.main。
runtime.newproc：创建一个新的 goroutine，且绑定 runtime.main 方法（也就是应用程序中的入口 main 方法）。并将其放入 m0 绑定的p的本地队列中去，以便后续调度。
runtime.mstart：启动 m，调度器开始进行循环调度。

在 runtime·rt0_go 方法中，其主要是完成各类运行时的检查，系统参数设置和获取，并进行大量的 Go 基础组件初始化。
初始化完毕后进行主协程（main goroutine）的运行，并放入等待队列（GMP 模型），最后调度器开始进行循环调度。

小结

根据上述源码剖析，可以得出如下 Go 应用程序引导的流程图：
在这里插入图片描述
在 Go 语言中，实际的运行入口并不是用户日常所写的 main func，更不是 runtime.main 方法，而是从 rt0_*_amd64.s 开始，最终再一路 JMP 到 runtime·rt0_go 里去，再在该方法里完成一系列 Go 自身所需要完成的绝大部分初始化动作。

其中整体包括：

运行时类型检查、系统参数传递、CPU 核数获取及设置、运行时组件的初始化（调度器、内存分配器、堆、栈、GC 等）。
运行 main goroutine。
运行相应的 GMP 等大量缺省行为。
涉及到调度器相关的大量知识。

后续将会继续剖析将进一步剖析 runtime·rt0_go 里的爱与恨，尤其像是 runtime.main、runtime.schedinit 等调度方法，都有非常大的学习价值，有兴趣的小伙伴可以持续关注。

Go 调度器初始化

知道了 Go 程序是怎么引导起来的之后，我们需要了解 Go Runtime 中调度器是怎么流转的。

runtime.mstart

这里主要关注 runtime.mstart 方法：

func mstart() {
	// 获取 g0
	_g_ := getg()

	// 确定栈边界
	osStack := _g_.stack.lo == 0
	if osStack {
		size := _g_.stack.hi
		if size == 0 {
			size = 8192 * sys.StackGuardMultiplier
		}
		_g_.stack.hi = uintptr(noescape(unsafe.Pointer(&size)))
		_g_.stack.lo = _g_.stack.hi - size + 1024
	}
	_g_.stackguard0 = _g_.stack.lo + _StackGuard
	_g_.stackguard1 = _g_.stackguard0
  
  // 启动 m，进行调度器循环调度
	mstart1()

	// 退出线程
	if mStackIsSystemAllocated() {
		osStack = true
	}
	mexit(osStack)
}

调用 getg 方法获取 GMP 模型中的 g，此处获取的是 g0。
通过检查 g 的执行栈 g.stack 的边界（堆栈的边界正好是 lo, hi）来确定是否为系统栈。若是，则根据系统栈初始化 g 执行栈的边界。
调用 mstart1 方法启动系统线程 m，进行调度器循环调度。
调用 mexit 方法退出系统线程 m。

runtime.mstart1

这么看来其实质逻辑在 mstart1 方法，我们继续往下剖析：

func mstart1() {
	// 获取 g，并判断是否为 g0
	_g_ := getg()
	if _g_ != _g_.m.g0 {
		throw("bad runtime·mstart")
	}

	// 初始化 m 并记录调用方 pc、sp
	save(getcallerpc(), getcallersp())
	asminit()
	minit()

	// 设置信号 handler
	if _g_.m == &m0 {
		mstartm0()
	}
	// 运行启动函数
	if fn := _g_.m.mstartfn; fn != nil {
		fn()
	}

	if _g_.m != &m0 {
		acquirep(_g_.m.nextp.ptr())
		_g_.m.nextp = 0
	}
	schedule()
}

调用 getg 方法获取 g。并且通过前面绑定的 g.m.g0 判断所获取的 g 是否 g0。若不是，则直接抛出致命错误。因为调度器仅在 g0 上运行。
调用 minit 方法初始化 m，并记录调用方的 PC、SP，便于后续 schedule 阶段时的复用。
若确定当前的 g 所绑定的 m 是 m0，则调用 mstartm0 方法，设置信号 handler。该动作必须在 minit 方法之后，这样 minit 方法可以提前准备好线程，以便能够处理信号。
若当前 g 所绑定的 m 有启动函数，则运行。否则跳过。
若当前 g 所绑定的 m 不是 m0，则需要调用 acquirep 方法获取并绑定 p，也就是 m 与 p 绑定。
调用 schedule 方法进行正式调度。

忙活了一大圈，终于进入到开题的主菜了，原来潜伏的很深的 schedule 方法才是真正做调度的方法，其他都是前置处理和准备数据。
由于篇幅问题，schedule 方法会放到下篇再继续剖析，我们先聚焦本篇的一些细节点。

问题深剖

不过到这里篇幅也已经比较长了，积累了不少问题。我们针对在 Runtime 中出镜率最高的两个元素进行剖析：

m0 是什么，作用是？
g0 是什么，作用是？

m0

m0 是 Go Runtime 所创建的第一个系统线程，一个 Go 进程只有一个 m0，也叫主线程。
从多个方面来看：

数据结构：m0 和其他创建的 m 没有任何区别。
创建过程：m0 是进程在启动时应该汇编直接复制给 m0 的，其他后续的 m 则都是 Go Runtime 内自行创建的。
变量声明：m0 和常规 m 一样，m0 的定义就是 var m0 m，没什么特别之处。

g0

g 一般分为三种，分别是：

执行用户任务的叫做 g。
执行 runtime.main 的 main goroutine。
执行调度任务的叫 g0。。

g0 比较特殊，每一个 m 都只有一个 g0（仅此只有一个 g0），且每个 m 都只会绑定一个 g0。在 g0 的赋值上也是通过汇编赋值的，其余后续所创建的都是常规的 g。
从多个方面来看：

数据结构：g0 和其他创建的 g 在数据结构上是一样的，但是存在栈的差别。在 g0 上的栈分配的是系统栈，在 Linux 上栈大小默认固定 8MB，不能扩缩容。而常规的 g 起始只有 2KB，可扩容。
运行状态：g0 和常规的 g 不一样，没有那么多种运行状态，也不会被调度程序抢占，调度本身就是在 g0 上运行的。
变量声明：g0 和常规 g，g0 的定义就是 var g0 g，没什么特别之处。