cgo 机制 - 从 c 调用 go

文｜朱德江（GitHub ID：doujiang24)

MOSN 项目核心开发者

蚂蚁集团技术专家

专注于云原生网关研发的相关工作

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一、前言

去年刚学 go 语言的时候，写了这篇 cgo 实现机制^[1] ，介绍了 cgo 的基本情况。主要介绍的是 go=>c 这个调用方式，属于比较浅的层次。随着了解的深入，发现 c=>go 的复杂度又高了一级，所以有了这篇文章。

二、两个方向

首先，cgo 包含了两个方向， c=>go ，go=>c 。

相对来说，go=>c 是更简单的，是在 go runtime 创建的线程中，调用执行 c 函数。对 go 调度器而言，调用 c 函数，就相当于系统调用。执行环境还是在本线程，只是调用栈有切换，还多了一个函数调用的 ABI 对齐，对于 go runtime 依赖的 GMP 环境，都是现有的，并没有太大的区别。

而 c=>go 则复杂很多，是在一个 c 宿主创建的线程上，调用执行 go 函数。这意味着，需要在 c 线程中，准备好 go runtime 所需要的 GMP 环境，才能运行 go 函数。以及，go 和 c 对于线程掌控的不同，主要是信号这块。所以，复杂度又高了一级。

三、GMP 从哪里来

首先简单解释一下，为什么需要 GMP ，因为在 go 函数运行的时候，总是假设是运行在一个 goroutine 环境中，以及绑定有对应的 M 和 P 。比如，要申请内存的时候，则会先从 P 这一层 cache 的 span 中的获取，如果这些没有的话，go runtime 就没法运行了。

虽然 M 是线程，但是具体实现上，其实就是一个 M 的数据结构来表示，对于 c 创建的协程，获取的是 extra M ，也就是单独的表示线程的 M 数据结构。

简单来说，c 线程需要获取的 GMP ，就是三个数据对象。在具体的实现过程中，是分为两步来的：

1. needm 获取一个 extra M

开启了 cgo 的情况下，go runtime 会预先创建好额外的 M ，同时还会创建一个 goroutine，跟这个 M 绑定。所以，获取到 M，也就同时得到了 G。

而且，go runtime 对于 M 并没有限制，可以认为是无限的，也就不存在获取不到 M 的情况。

2.exitsyscall 获取 P

是的，这个就是 go=>c 的反向过程。只是 P 资源是有限的，可能会出现抢不到 P 的情况，此时就得看调度机制了。

四、调度机制

简单情况下，M 和 P 资源都顺利拿到了，这个 c 线程，就可以在 M 绑定的 goroutine 中运行指定的 go 函数了。更进一步，如果 go 函数很简单，只是简单的做点纯 CPU 计算就结束了，那么这期间则不依赖 go 的调度了。

有两种情况，会发生调度：

1. exitsyscall 获取不到 P

此时没法继续执行了，只能：

1.将当前 extra M 上绑定的 g ，放入全局 g 等待队列

2.将当前 c 线程挂起，等待 g 被唤起执行

在 g 被唤起执行的时候，因为 g 和 M 是绑定关系：

1.执行 g 的那个线程，会挂起，让出 P ，唤起等待的 c 线程

2.c 线程被唤起之后，拿到 P 继续执行

2. go 函数执行过程中发生了协程挂起

比如，go 函数中发起了网络调用，需要等待网络响应，按照之前介绍的文章，Goroutine 调度 - 网络调用^[2] 。当前 g 会挂起，唤醒下一个 g ，继续执行。

但是，因为 M 和 g 是绑定关系，此时会：

1. g 放入等待队列

2.当前 c 线程被挂起，等待 g 被唤醒

3. P 被释放

在 g 被唤醒的时候，此时肯定不是在原来的 c 线程上了

1.当前线程挂起，让出 P，唤醒等待的 c 线程

2.c 线程被唤醒后，拿到 P，继续执行

直观来说，也就是在 c 线程上执行的 goroutine，并不像普通的 go 线程一样，参与 go runtime 的调度。对于 go runtime 而言，协程中的网络任务，还是以非阻塞的方式在执行，只是对于 c 线程而言，则完全是以阻塞的方式来执行了。

为什么需要这样，还是因为线程的调用栈，只有一个，没有办法并发，需要把线程挂起，保护好调用栈。

PS：这里的执行流程，其实跟上面抢不到 P 的流程，很类似，底层也是同一套函数在跑（核心还是 schedule）。

五、信号处理

另外一大差异是，信号处理。

1. c 语言世界里，把信号处理的权利/责任，完全交给用户了。

2. go 语言，则在 runtime 做了一层处理。

比如，一个具体的问题，当程序运行过程中，发生了 segfault 信号，此时是应该由 go 来处理，还是 c 来响应信号呢？

答案是，看发生 segfault 时的上下文：

1.如果正在运行 go 代码，则交给 go runtime 来处理

2.如果正在运行 c 代码，则还是 c 来响应

那具体是怎么实现的呢？信号处理还是比较复杂的，有比较多的细节，这里我们只介绍几个核心点。

1. sighandler 注册

首先，对于操作系统而言，同一个信号，只能有一个 handler 。再看 go 和 c 发生 sighandler 注册的时机：

1. go 编译产生的 so 文件，被加载的时候，会注册 sighandler（仅针对 go 需要用的信号），并且会把原始的 sighandler 保存下来。

2. c 可以在任意的时间，注册 sighandler，可以是任意的信号。

所以，推荐的做法是，在加载 go so 之前，c 先完成信号注册，在 go so 加载之后，不要再注册 sighandler 了，避免覆盖 go 注册 sighandler。

2.信号处理

对于最简单的情况，如果一个信号，只有 c 注册了 sighandler，那么还是按照常规 c 信号处理的方式来。

对于 sigfault 这种，go 也注册了 sighandler 的信号，按照这个流程来：

1.操作系统触发信号时，会调用 go 注册的 sighandler（最佳实践中，go 的信号注册在后面）；

2.go sighandler 先判断是否在 c 上下文中（简单的理解，也就是没有 g，实际上还是挺复杂的）；

3.如果，在 c 上下文中，会调用之前保存的原始 sighandler（没有原始的 sighandler，则会临时恢复 signal 配置，重新触发信号）；

4.如果，在 go 上下文中，则会执行普通的信号处理流程。

其中，2 和 3 是最复杂的，因为 cgo 包含了两个方向，以及信号还有 sigmask 等等额外的因素，所以这里细节是非常多的，不过思路方向还是比较清晰的。

六、优化

上篇 cgo 实现机制^[1] ，提过优化一些思路，不过主要针对 go => c 这个方向。因为 c => go 的场景中，还有其他更重要的优化点。

1.复用 extra M

通常情况下，最大的性能消耗点在获取/释放 M。

1.上面提到，从 c 进入 go，需要通过 needm 来获取 M 。这期间有 5 个信号相关的系统调用。比如：避免死锁用的，临时屏蔽所有信号，以及开启 go 所需要的信号。

2.从 go 返回 c 的时候，通过 dropm 来释放 M 。这期间有 3 个信号相关的系统调用。目的是恢复到 needm 之前的信号状态（因 needm 强制开启了 go 必须的信号）。

这两个操作，在 MOSN 新的 MOE 架构的测试中，可以看到约占整体 2~5% 的 CPU 占用，还是比较可观的。

了解了瓶颈之后，也就成功了一半。

优化思路也很直观，第一次从 go 返回 c 的时候，不释放 extra M ，继续留着使用，下一次从 c 进入 go 也就不需要再获取 extra M 了。因为 extra M 资源是无限的，c 线程一直占用一个 extra M 也无所谓。

不过，在 c 线程退出的时候，还是需要释放 extra M ，避免泄漏。所以，这个优化，在 windows 就不能启用了，因为 windows 的 pthread API 没有线程退出的 callback 机制。

目前实现了一版在 CL 392854^[3] 。虽然通过了一个大佬的初步 review，以及跑通了全部测试，不过，估计要合并还要很久...因为这个 PR 已经比较大了，被标记 L size 了，这种 CL 估计大佬们 review 起来也头大...

在简单场景的测试中，单次 c => go 的调用，从 ~1600ns 优化到了 ~140ns，提升 10 倍，达到了接近 go => c 的水平（ ~80ns ）效果还是挺明显的。

实现上主要有两个较复杂的点：

1.接收到信号时，判断在哪个上下文里，以及是否应该转发给 c。因为 cgo 有两个方向，而且这两个方向又是可以在一个调用栈中同时发生的，以及信号还有 mask ，系统默认 handler 之分。这里面已经不是简单的状态机可以描述的，go runtime 在这块有约 100 + 行的核心判断代码，以应对各式各样的用法。估计没几个人可以全部记住，只有碰到具体场景临时去分析。或者在跑测试用例失败的时候，才具体去分析。

2.在 c 线程退出，callback 到 go 的时候，涉及到 c 和 go function call ABI 对齐。这里主要的复杂度在于，需要处理好不同的 CPU 体系结构，以及操作系统上的差异。所以工作量还是比较大的。比如 arm ，arm64 ， 期间有一个有意思的坑，Aarch64 的 stack pointer 必须是 16 byte 对齐的，否则会触发 bus error 信号。（也因此 arm64 的压栈/出栈指令，都是两个两个操作的）

2.获取不到 P

从 c 进入 go，获取 GMP 的过程中，只有 P 资源是受限的，在负载较高时，获取不到 P 也是比较容易碰到的。

当获取不到 P 时，c 线程会挂起，等待进入全局队列的 g 被唤醒。这个过程对于 go runtime 而言是比较合理的，但是对于 c 线程则比较危险，尤其当 c 线程中跑的是多路复用的逻辑，则影响更大了。

此时有两个优化思路：

1.类似 extra M ，再给 c 线程绑一个 extra P ，或者预先绑定一个 P 。这样 c 线程就不需要被挂起了。这个思路，最大的挑战在于 extra P ，是不受常规 P 数量的限制，对于 go 中 P 的定义，是一个不小的挑战。

2.将 g 不放入全局队列，改为放到优先级更高的 P.runnext ，这样 g 可以被快速的调度到，c 线程可以等待的时间更短了。这个思路，最大的挑战则在于，对这个 g 加了优先级的判断，或许有一点有悖于 g 应该是平等的原则。不过应该也还好， P.runnext 本来也是为了应对某些需要优先的场景的，这里只是多了一个场景。

这个优化方向，还没有 CL，不过我们有同学在搞了。

3.尽快释放 P

当从 go 返回 c 的时候，会调用 entersyscall ，具体是，M 和 P 并没有完全解除绑定，而是让 P 进入 syscall 的状态。

接下来，会有两种情况：

1.很快又有了下一个 c=>go 调用，则直接用这个 P ；

2.sysmon 会强制解除绑定。对于进入 syscall 的 P ，sysmon 会等 20 us => 10 ms，然后将 P 抢走释放掉。等待时间跨度还是挺大的，具体多久就看命了，主要看 sysmon 是否之前已经长时间空闲了。

对于 go => c 这方向，一个 syscall 的等待时间，通常是比较小的，所以这套机制是合适的。但是对于 c => go 这个方向，这种伪 syscall 的等待时间，取决于两个 c => go 调用的间隔时间，其实不太有规律的。所以，可能会造成 P 资源被浪费 20us => 10ms。

所以，又有一个优化方向，两个思路：

1.从 go 返回 c 的时候，立即释放 P ，这样不会浪费 P 资源。

2.调整下 sysmon，针对这种场景，有一种机制，能尽量在 20 us 就把 P 抢走。

其中，思路 1 ，这个 CL 411034 里顺便实现了。这个本来是为了修复 go trace 在 cgo 场景下不能用的 bug ，改到这个点，是因为跟 Michael 大佬讨论，引发的一个改动（一开始还没有意识到是一个优化）。

七、总结

不知道看到这里，你是否一样觉得，c => go 比 go => c 的复杂度又高了一级。反正我是有的。

首先，c 线程得拿到 GMP 才能运行 go 函数，然后，c 线程上的 g 发生了协程调度事件的时候，调度策略又跟普通的 go 线程不一样。另外一个大坑则是信号处理，在 go runtime 接管了 sighandler 之后，我们还需要让 c 线程之前注册的 sighandler 一样有效，使 c 线程感觉不到被 go runtime 接管了一道。

优化这块，相对来说，比较好理解一些，主要是涉及到 go 目前的实现方式，并没有太多底层原理上的改进。复用 extra M 属于降低 CPU 开销；P 相关的获取和释放，则更多涉及到延时类的优化（如果搞了 extra P，则也会有 CPU 的优化效果）。

八、最后

最后吐个槽，其实目前的实现方案中，从 c 调用 go 的场景，go runtime 的调度策略，更多是考虑 go 这一侧，比如 goroutine 和 P 不能被阻塞。但是，对 c 线程其实是很不友好的，只要涉及到等待，就会把 c 线程挂起...

因为 go 的并发模型中，线程挂起通常是可以接受的，但是对于宿主 c 线程而言，有时候被阻塞挂起则是很敏感的。比如，在 MOSN 的 MOE 架构中，对于这类可能导致 c 线程被挂起的行为，需要很小心的处理。

那有没有办法改变，也是有的，只是改动相对要大一点，大体思路是，将 c 调用 go 的 API 异步化：

g = GoFunc(a, b)
printf("g.status: %d, g.result: %dn", g.status, g.result)

意思是，调用 Go 函数，不再同步返回函数返回值，而是返回一个带状态 g，这样的好处是，因为 API 异步了，所以执行的时候，也不必同步等待 g 返回了。如果碰到 g 被挂起了，直接返回 status = yield 的 g 即可，goroutine 协程继续走 go runtime 的调度，c 线程也不必挂起等待了。

这样的设计，对于 c 线程是最友好的，当然也还得有一些配套的改动，比如缺少 P 的时候，得有个 extra P 更好一些，等其他的细节。

不过，这样子的改动还是比较大的，让 go 官方接受这种设计，应该还是比较难的，以后没准可以试试，万一接受了呢~

九、相关链接

[1] cgo 实现机制：

https://uncledou.site/2021/go-cgo/

[2] Goroutine 调度 - 网络调用：

https://uncledou.site/2021/goroutine-schedule-network/

[3] CL 392854 :

https://go-review.googlesource.com/c/go/+/392854

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