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深入解析Go (go internals)

8.1 非阻塞io

Go提供的网络接口，在用户层是阻塞的，这样最符合人们的编程习惯。在runtime层面，是用epoll/kqueue实现的非阻塞io，为性能提供了保障。

如何实现

底层非阻塞io是如何实现的呢？简单地说，所有文件描述符都被设置成非阻塞的，某个goroutine进行io操作，读或者写文件描述符，如果此刻io还没准备好，则这个goroutine会被放到系统的等待队列中，这个goroutine失去了运行权，但并不是真正的整个系统“阻塞”于系统调用。

后台还有一个poller会不停地进行poll，所有的文件描述符都被添加到了这个poller中的，当某个时刻一个文件描述符准备好了，poller就会唤醒之前因它而阻塞的goroutine，于是goroutine重新运行起来。

这个poller是在后台一直运行的，前面分析系统调度章节时为了简化并没有提起它。其实在proc.c文件中，runtime.main函数的第一行代码就是

newm(sysmon, nil);

这个意思就是新建一个M并让它运行sysmon函数，前面说过M就是机器的抽象，它会直接开一个物理线程。sysmon里面是个死循环，每睡眠一小会儿就会调用runtime.epoll函数，这个sysmon就是所谓的poller。

poller是一个比gc更高优先级的东西，何以见得呢？首先，垃圾回收只是用runtime.newproc建立出来的，它仅仅是个goroutine任务，而poller是直接用newm建立出来的，它跟startm是平级的。也就相当于gc只是线程池里的任务，而poller自身直接就是worker。然后，gc只是被触发性地发生的，是被动的。而poller却是每隔很短时间就会主动运行。

封装层次

从最原始的epoll系统调用，到提供给用户的网络库函数，可以分成三个封装层次。这三个层次分别是，依赖于系统的api封装，平台独立的runtime封装，提供给用户的库的封装。

最下面一层是依赖于系统部分的封装。各个平台下的实现并不一样，比如linux下是封装的epoll，freebsd下是封装的kqueue。以linux为例，实现了一组调用epoll相关系统调用的封装：

int32 runtime·epollcreate(int32 size);
int32 runtime·epollcreate1(int32 flags);
int32 runtime·epollctl(int32 epfd, int32 op, int32 fd, EpollEvent *ev);
int32 runtime·epollwait(int32 epfd, EpollEvent *ev, int32 nev, int32 timeout);
void runtime·closeonexec(int32 fd);

它们都是直接使用汇编调用系统调用实现的，比如：

TEXT runtime·epollcreate1(SB),7,$0
	MOVL	8(SP), DI
	MOVL	$291, AX			// syscall entry
	SYSCALL
	RET

这些函数还要继续被封装成下面一组函数：

runtime·netpollinit(void);
runtime·netpollopen(int32 fd, PollDesc *pd);
runtime·netpollready(G **gpp, PollDesc *pd, int32 mode);

runtime·netpollinit是对poller进行初始化。 runtime·netpollopen是对fd和pd进行关联，实现边沿触发通知。 runtime·netpollready，使用前必须调用这个函数来表示fd是就绪的

不管是哪个平台，最终都会将依赖于系统的部分封装好，提供上面这样一组函数供runtime使用。

接下来是平台独立的poller的封装，也就是runtime层的封装。这一层封装是最复杂的，它对外提供的一组接口是：

func runtime_pollServerInit()
func runtime_pollOpen(fd int) (pd *PollDesc, errno int)
func runtime_pollClose(pd *PollDesc)
func runtime_pollReset(pd *PollDesc, mode int) (err int)
func runtime_pollWait(pd *PollDesc, mode int) (err int)
func runtime_pollSetDeadline(pd *PollDesc, d int64, mode int)
func runtime_pollUnblock(pd *PollDesc)

这一组函数是由runtime封装好，提供给net包调用的。里面定义了一个PollDesc的结构体，将fd和对应的goroutine封装起来，从而实现当goroutine读写fd阻塞时，将goroutine变为Gwaiting。等一下回头再看实现的细节。

最后一层封装层次是提供给用户的net包。在net包中网络文件描述符都是用一个netFD结构体来表示的，其中有个成员就是pollDesc。

// 网络文件描述符
type netFD struct {
	sysmu  sync.Mutex
	sysref int

	// must lock both sysmu and pollDesc to write
	// can lock either to read
	closing bool

	// immutable until Close
	sysfd       int
	family      int
	sotype      int
	isConnected bool
	sysfile     *os.File
	net         string
	laddr       Addr
	raddr       Addr

	// serialize access to Read and Write methods
	rio, wio sync.Mutex

	// wait server
	pd pollDesc
}

所有用户的net包的调用最终调用到pollDesc的上面那一组函数中，这样就实现了当goroutine读或写阻塞时会被放到等待队列。最终的效果就是用户层阻塞，底层非阻塞。

文件描述符和goroutine

当一个goroutine进行io阻塞时，会去被放到等待队列。这里面就关键的就是建立起文件描述符和goroutine之间的关联。pollDesc结构体就是完成这个任务的。它的结构体定义如下：

struct PollDesc
{
	PollDesc* link;	// in pollcache, protected by pollcache.Lock
	Lock;		// protectes the following fields
	int32	fd;
	bool	closing;
	uintptr	seq;	// protects from stale timers and ready notifications
	G*	rg;	// 因读这个fd而阻塞的G，等待READY信号
	Timer	rt;	// read deadline timer (set if rt.fv != nil)
	int64	rd;	// read deadline
	G*	wg;	// 因写这个fd而阻塞的goroutines
	Timer	wt;
	int64	wd;
};

这个结构体是重用的，其中link就是将它链起来。PollDesc对象必须是类型稳定的，因为在描述符关闭/重用之后我们会得到epoll/kqueue就绪通知。结构体中有一个seq序号，稳定的通知是通过使用这个序号实现的，当deadline改变或者描述符重用时，序号会增加。

runtime_pollServerInit的实现就是调用更下层的runtime·netpollinit函数。 runtime_pollOpen从PollDesc结构体缓存中拿一个出来，设置好它的fd。之所以叫Open而不是new，就是因为PollDesc结构体是重用的。 runtime_pollClose函数调用runtime·netpollclose后将PollDesc结构体放回缓存。

这些都还没涉及到fd与goroutine交互部分，仅仅是直接对epoll的调用。从下面这个函数可以看到fd与goroutine交互部分：

func runtime_pollWait(pd *PollDesc, mode int) (err int)

它会调用到netpollblock，这个函数是这样子的：

static void
netpollblock(PollDesc *pd, int32 mode)
{
	G **gpp;

	gpp = &pd->rg;
	if(mode == 'w')
		gpp = &pd->wg;
	if(*gpp == READY) {
		*gpp = nil;
		return;
	}
	if(*gpp != nil)
		runtime·throw("epoll: double wait");
	*gpp = g;
	runtime·park(runtime·unlock, &pd->Lock, "IO wait");
	runtime·lock(pd);
}

最后的runtime.park函数，就是将当前的goroutine(调用者)设置为waiting状态。

上面这一部分是goroutine被放到等待队列的部分，下面看它被唤醒的部分。在sysmon函数中，会不停地调用runtime.epoll，这个函数对就绪的网络连接进行poll，返回可运行的goroutine。epoll只能知道哪个fd就绪了，那么它怎么知道哪个goroutine就绪了呢？原来epoll的data域存放的就是PollDesc结构体指针。因此就可以得到其中的goroutine了。

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