Go runtime: select
Goroutine, chan, select 是在 Go 中使用并发的关键.
编译器的工作
select 经过编译后会调用 runtime.selectgo, 其函数签名如下:
// selectgo implements the select statement.
//
// cas0 points to an array of type [ncases]scase, and order0 points to
// an array of type [2*ncases]uint16 where ncases must be <= 65536.
// Both reside on the goroutine's stack (regardless of any escaping in
// selectgo).
//
// For race detector builds, pc0 points to an array of type
// [ncases]uintptr (also on the stack); for other builds, it's set to
// nil.
//
// selectgo returns the index of the chosen scase, which matches the
// ordinal position of its respective select{recv,send,default} call.
// Also, if the chosen scase was a receive operation, it reports whether
// a value was received.
func selectgo(cas0 *scase, order0 *uint16, pc0 *uintptr, nsends, nrecvs int, block bool) (int, bool) {
只有单个 case 的 select 会变转变成 if, 只有单个 case 和 default 的 select 会变转变成 if-else. 其他情况, 编译器首先会将 case 翻译成 scase, 其占用 16 字节, 包含一个指向 chan 的指针和一个指向收发元素的指针. order0 是调用前分配的, 用于 selectgo 保存对 scase 的遍历顺序, nsends 和 nrecvs 分别对应 sendch 和 recvch 的数量, block 代表是否存在 default.
我们以如下代码来验证理解:
//go:noinline
func fnSelect(r1, r2, s chan int) (int, bool) {
var i, z int
var ok bool
select {
case i, ok = <-r1:
z = 1 + i
case i, ok = <-r2:
z = 2 + i
case s <- 0:
z, ok = 0, true
default:
}
return z, ok
}
func main() {
r1, r2, s := make(chan int), make(chan int), make(chan int)
fnSelect(r1, r2, s)
close(r1)
close(r2)
close(s)
}
依然是先以 linux/amd64 为目标平台编译后, 用 objdump 反汇编后查看 fnSelect.
对应的编译命令为 GOOS=linux GOARCH=amd64 go build main.go,
汇编结果为:
~ x86_64-linux-gnu-objdump -D -S main | grep "main.fnSelect>:" -A 90 | cat -n
1 0000000000458d60 <main.fnSelect>:
2 package main
3
4 //go:noinline
5 func fnSelect(r1, r2, s chan int) (int, bool) {
6 458d60: 4c 8d 64 24 f0 lea -0x10(%rsp),%r12
7 458d65: 4d 3b 66 10 cmp 0x10(%r14),%r12
8 458d69: 0f 86 b6 00 00 00 jbe 458e25 <main.fnSelect+0xc5>
9 458d6f: 55 push %rbp
10 458d70: 48 89 e5 mov %rsp,%rbp
11 458d73: 48 81 ec 88 00 00 00 sub $0x88,%rsp
12 var i, z int
13 var ok bool
14 select {
15 458d7a: 48 c7 44 24 30 00 00 movq $0x0,0x30(%rsp)
16 458d81: 00 00
17 458d83: 44 0f 11 7c 24 58 movups %xmm15,0x58(%rsp)
18 458d89: 44 0f 11 7c 24 68 movups %xmm15,0x68(%rsp)
19 458d8f: 44 0f 11 7c 24 78 movups %xmm15,0x78(%rsp)
20 case i, ok = <-r1:
21 458d95: 48 89 44 24 78 mov %rax,0x78(%rsp)
22 458d9a: 48 8d 54 24 40 lea 0x40(%rsp),%rdx
23 458d9f: 48 89 94 24 80 00 00 mov %rdx,0x80(%rsp)
24 458da6: 00
25 z = 1 + i
26 case i, ok = <-r2:
27 458da7: 48 89 5c 24 68 mov %rbx,0x68(%rsp)
28 458dac: 48 8d 54 24 38 lea 0x38(%rsp),%rdx
29 458db1: 48 89 54 24 70 mov %rdx,0x70(%rsp)
30 z = 2 + i
31 case s <- 0:
32 458db6: 48 89 4c 24 58 mov %rcx,0x58(%rsp)
33 458dbb: 48 8d 54 24 30 lea 0x30(%rsp),%rdx
34 458dc0: 48 89 54 24 60 mov %rdx,0x60(%rsp)
35 select {
36 458dc5: 48 8d 44 24 58 lea 0x58(%rsp),%rax
37 458dca: 48 8d 5c 24 4c lea 0x4c(%rsp),%rbx
38 458dcf: 31 c9 xor %ecx,%ecx
39 458dd1: bf 01 00 00 00 mov $0x1,%edi
40 458dd6: be 02 00 00 00 mov $0x2,%esi
41 458ddb: 45 31 c0 xor %r8d,%r8d
42 458dde: 66 90 xchg %ax,%ax
43 458de0: e8 9b 54 fe ff call 43e280 <runtime.selectgo>
44 z, ok = 0, true
45 default:
46 458de5: 48 85 c0 test %rax,%rax
47 458de8: 7d 06 jge 458df0 <main.fnSelect+0x90>
48 458dea: 31 c9 xor %ecx,%ecx
49 458dec: 31 db xor %ebx,%ebx
50 458dee: eb 29 jmp 458e19 <main.fnSelect+0xb9>
51 case s <- 0:
52 458df0: 75 0e jne 458e00 <main.fnSelect+0xa0>
53 458df2: 31 c9 xor %ecx,%ecx
54 458df4: bb 01 00 00 00 mov $0x1,%ebx
55 458df9: eb 1e jmp 458e19 <main.fnSelect+0xb9>
56 458dfb: 0f 1f 44 00 00 nopl 0x0(%rax,%rax,1)
57 case i, ok = <-r2:
58 458e00: 48 83 f8 01 cmp $0x1,%rax
59 458e04: 75 0b jne 458e11 <main.fnSelect+0xb1>
60 458e06: 48 8b 4c 24 38 mov 0x38(%rsp),%rcx
61 z = 2 + i
62 458e0b: 48 83 c1 02 add $0x2,%rcx
63 case i, ok = <-r2:
64 458e0f: eb 08 jmp 458e19 <main.fnSelect+0xb9>
65 case i, ok = <-r1:
66 458e11: 48 8b 4c 24 40 mov 0x40(%rsp),%rcx
67 z = 1 + i
68 458e16: 48 ff c1 inc %rcx
69 }
70 return z, ok
71 458e19: 48 89 c8 mov %rcx,%rax
72 458e1c: 48 81 c4 88 00 00 00 add $0x88,%rsp
73 458e23: 5d pop %rbp
74 458e24: c3 ret
75 func fnSelect(r1, r2, s chan int) (int, bool) {
76 458e25: 48 89 44 24 08 mov %rax,0x8(%rsp)
77 458e2a: 48 89 5c 24 10 mov %rbx,0x10(%rsp)
78 458e2f: 48 89 4c 24 18 mov %rcx,0x18(%rsp)
79 458e34: e8 67 ce ff ff call 455ca0 <runtime.morestack_noctxt.abi0>
80 458e39: 48 8b 44 24 08 mov 0x8(%rsp),%rax
81 458e3e: 48 8b 5c 24 10 mov 0x10(%rsp),%rbx
82 458e43: 48 8b 4c 24 18 mov 0x18(%rsp),%rcx
83 458e48: e9 13 ff ff ff jmp 458d60 <main.fnSelect>
快速理解上述代码的一种方式是从 L43 对 runtime.selectgo 的调用开始. 基于 Go internal ABI specification, 结合 selectgo 的参数签名, 我们知道参数被保存到寄存器 rax(cas0), rbx(order0), ecx, edi(nsends), esi(nrecvs) 和 r8d(block).
在上述例子中, cas0 应该是保存了三个 scase 的数组, L36 将栈上 0x58 加载到了寄存器 rax, 所以 cas0 的第一个元素保存在栈上 0x58. 又因为 scase 占用 16 字节, 所以 cas0 的第二和第三个元素保存在 0x68 和 0x78.
此时再去理解 L21~L34 就会简单的多, L21 将 fnSelect 的入参 chan r1 保存到 0x68, L22&L23 指明用 0x38 来保存对应的元素.
L39 nsends 是 0x1, L40 nrecvs 是 2, L41 block 是 false.
selectgo 的逻辑
select 处理多个 chan 和 send/recv 处理单个 chan 的逻辑大体是一致的. 当 send 时:
- 如果有等待接受元素的 g, 则直接将元素交给 g
- 否则, 如果 chan buf 中还有空间, 则将元素放到 buf
- 否则, 将自己加入 chan 的发送等待队列 sendq, 并让出执行权 当 recv 时:
- 如果有等待发送元素的 g, 则直接从其获取元素
- 否则, 如果 chan buf 中有缓存的元素, 则从其中获取元素
- 否则, 将自己加入 chan 的接受等待队列 recvq, 并让出执行权
select 额外的工作包括:
- 随机 case 的执行顺序
- lock/unlock 从单个 ch 变成多个
- g 需要加入多个 ch 的 sendq/recvq
- g 的等待列表 waiting 也需要加所有 ch 加入