系统调用
原文地址：
https://github.com/cch123/golang-notes/blob/master/syscall.md
概念
一图胜千言:
+ - - - - - - - - - - - - - - - User Mode - - - - - - - - - - - - - - - - - -
|
| Application syscall library
program /src/syscall |
|
|
| +-------------------+ +----------------------+
| | |Faccessat { | |
| | | | |
| | | runtime·Syscall6 { | |
| |... | | |
|syscall.Access( | | ... | |
| | path, mode) | | SYSCALL ----------+----------------+
|... | | ... <----------+----------+-----+--------+
| | | | return; | | |
| | | } | | | |
| | | |} | | |
+-------------------+ +----------------------+ | | |
| | |
- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - + | ^
| |
switch to kernel mode |
+ - - - - - - - - - - - - - - - - Kernel Mode - - - - - - - - - - - - - - - - - - v |
| | |
| System call Trap handler | |
service routine | | |
| +------------------+ +-----------------------+ | |
|sys_faccessat() <-+-----------+ |system call: <-------+--------+-----+ |
| |{ | | | | |
| | | | | | |
| | | | | ... | |
| | | | | | |
| | ... | +-----------+---call sys_call_table | switch to user mode
| | | | | |
| | | +-----------+-> ... | |
| return error; --+-----------+ | | | |
| |} | | -------------------+----------->-----------+
+------------------+ +-----------------------+ |
|
- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - +
入口
syscall 有下面几个入口，在 syscall/asm_linux_amd64.s 中。
func Syscall(trap, a1, a2, a3 uintptr) (r1, r2 uintptr, err syscall.Errno)
func Syscall6(trap, a1, a2, a3, a4, a5, a6 uintptr) (r1, r2 uintptr, err syscall.Errno)
func RawSyscall(trap, a1, a2, a3 uintptr) (r1, r2 uintptr, err syscall.Errno)
func RawSyscall6(trap, a1, a2, a3, a4, a5, a6 uintptr) (r1, r2 uintptr, err syscall.Errno)
这些函数的实现都是汇编，按照 linux 的 syscall 调用规范，我们只要在汇编中把参数依次传入寄存器，并调用 SYSCALL 指令即可进入内核处理逻辑，系统调用执行完毕之后，返回值放在 RAX 中:
| RDI | RSI | RDX | R10 | R8 | R9 | RAX |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 参数一 | 参数二 | 参数三 | 参数四 | 参数五 | 参数六 | 系统调用编号/返回值 |
Syscall 和 Syscall6 的区别只有传入参数不一样:
// func Syscall(trap int64, a1, a2, a3 uintptr) (r1, r2, err uintptr);
TEXT ·Syscall(SB),NOSPLIT,$0-56
CALL runtime·entersyscall(SB)
MOVQ a1+8(FP), DI
MOVQ a2+16(FP), SI
MOVQ a3+24(FP), DX
MOVQ $0, R10
MOVQ $0, R8
MOVQ $0, R9
MOVQ trap+0(FP), AX // syscall entry
SYSCALL
// 0xfffffffffffff001 是 linux MAX_ERRNO 取反 转无符号，http://lxr.free-electrons.com/source/include/linux/err.h#L17
CMPQ AX, $0xfffffffffffff001
JLS ok
MOVQ $-1, r1+32(FP)
MOVQ $0, r2+40(FP)
NEGQ AX
MOVQ AX, err+48(FP)
CALL runtime·exitsyscall(SB)
RET
ok:
MOVQ AX, r1+32(FP)
MOVQ DX, r2+40(FP)
MOVQ $0, err+48(FP)
CALL runtime·exitsyscall(SB)
RET
// func Syscall6(trap, a1, a2, a3, a4, a5, a6 uintptr) (r1, r2, err uintptr)
TEXT ·Syscall6(SB),NOSPLIT,$0-80
CALL runtime·entersyscall(SB)
MOVQ a1+8(FP), DI
MOVQ a2+16(FP), SI
MOVQ a3+24(FP), DX
MOVQ a4+32(FP), R10
MOVQ a5+40(FP), R8
MOVQ a6+48(FP), R9
MOVQ trap+0(FP), AX // syscall entry
SYSCALL
CMPQ AX, $0xfffffffffffff001
JLS ok6
MOVQ $-1, r1+56(FP)
MOVQ $0, r2+64(FP)
NEGQ AX
MOVQ AX, err+72(FP)
CALL runtime·exitsyscall(SB)
RET
ok6:
MOVQ AX, r1+56(FP)
MOVQ DX, r2+64(FP)
MOVQ $0, err+72(FP)
CALL runtime·exitsyscall(SB)
RET
两个函数没什么大区别，为啥不用一个呢？个人猜测，Go 的函数参数都是栈上传入，可能是为了节省一点栈空间。。在正常的 Syscall 操作之前会通知 runtime，接下来我要进行 syscall 操作了 runtime·entersyscall，退出时会调用 runtime·exitsyscall。
// func RawSyscall(trap, a1, a2, a3 uintptr) (r1, r2, err uintptr)
TEXT ·RawSyscall(SB),NOSPLIT,$0-56
MOVQ a1+8(FP), DI
MOVQ a2+16(FP), SI
MOVQ a3+24(FP), DX
MOVQ $0, R10
MOVQ $0, R8
MOVQ $0, R9
MOVQ trap+0(FP), AX // syscall entry
SYSCALL
CMPQ AX, $0xfffffffffffff001
JLS ok1
MOVQ $-1, r1+32(FP)
MOVQ $0, r2+40(FP)
NEGQ AX
MOVQ AX, err+48(FP)
RET
ok1:
MOVQ AX, r1+32(FP)
MOVQ DX, r2+40(FP)
MOVQ $0, err+48(FP)
RET
// func RawSyscall6(trap, a1, a2, a3, a4, a5, a6 uintptr) (r1, r2, err uintptr)
TEXT ·RawSyscall6(SB),NOSPLIT,$0-80
MOVQ a1+8(FP), DI
MOVQ a2+16(FP), SI
MOVQ a3+24(FP), DX
MOVQ a4+32(FP), R10
MOVQ a5+40(FP), R8
MOVQ a6+48(FP), R9
MOVQ trap+0(FP), AX // syscall entry
SYSCALL
CMPQ AX, $0xfffffffffffff001
JLS ok2
MOVQ $-1, r1+56(FP)
MOVQ $0, r2+64(FP)
NEGQ AX
MOVQ AX, err+72(FP)
RET
ok2:
MOVQ AX, r1+56(FP)
MOVQ DX, r2+64(FP)
MOVQ $0, err+72(FP)
RET
RawSyscall 和 Syscall 的区别也非常微小，就只是在进入 Syscall 和退出的时候没有通知 runtime，这样 runtime 理论上是没有办法通过调度把这个 g 的 m 的 p 调度走的，所以如果用户代码使用了 RawSyscall 来做一些阻塞的系统调用，是有可能阻塞其它的 g 的，下面是官方开发的原话:
Yes, if you call RawSyscall you may block other goroutines from running. The system monitor may start them up after a while, but I think there are cases where it won't. I would say that Go programs should always call Syscall. RawSyscall exists to make it slightly more efficient to call system calls that never block, such as getpid. But it's really an internal mechanism.
RawSyscall 只是为了在执行那些一定不会阻塞的系统调用时，能节省两次对 runtime 的函数调用消耗。
vdso
vdso 可以认为是一种特殊的调用，在使用时，没有本文开头的用户态到内核态的切换，引用一段参考资料:
用来执行特定的系统调用，减少系统调用的开销。某些系统调用并不会向内核提交参数，而仅仅只是从内核里请求读取某个数据，例如gettimeofday()，内核在处理这部分系统调用时可以把系统当前时间写在一个固定的位置(由内核在每个时间中断里去完成这个更新动作)，mmap映射到用户空间。这样会更快速，避免了传统系统调用模式INT 0x80/SYSCALL造成的内核空间和用户空间的上下文切换。
// func gettimeofday(tv *Timeval) (err uintptr)
TEXT ·gettimeofday(SB),NOSPLIT,$0-16
MOVQ tv+0(FP), DI
MOVQ $0, SI
MOVQ runtime·__vdso_gettimeofday_sym(SB), AX
CALL AX
CMPQ AX, $0xfffffffffffff001
JLS ok7
NEGQ AX
MOVQ AX, err+8(FP)
RET
ok7:
MOVQ $0, err+8(FP)
RET
系统调用管理
先是系统调用的定义文件:
/syscall/syscall_linux.go
可以把系统调用分为三类:
- 阻塞系统调用
- 非阻塞系统调用
- wrapped 系统调用
阻塞系统调用会定义成下面这样的形式:
//sys Madvise(b []byte, advice int) (err error)
非阻塞系统调用:
//sysnb EpollCreate(size int) (fd int, err error)
然后，根据这些注释，mksyscall.pl 脚本会生成对应的平台的具体实现。mksyscall.pl 是一段 perl 脚本，感兴趣的同学可以自行查看，这里就不再赘述了。
看看阻塞和非阻塞的系统调用的生成结果:
func Madvise(b []byte, advice int) (err error) {
var _p0 unsafe.Pointer
if len(b) > 0 {
_p0 = unsafe.Pointer(&b[0])
} else {
_p0 = unsafe.Pointer(&_zero)
}
_, _, e1 := Syscall(SYS_MADVISE, uintptr(_p0), uintptr(len(b)), uintptr(advice))
if e1 != 0 {
err = errnoErr(e1)
}
return
}
func EpollCreate(size int) (fd int, err error) {
r0, _, e1 := RawSyscall(SYS_EPOLL_CREATE, uintptr(size), 0, 0)
fd = int(r0)
if e1 != 0 {
err = errnoErr(e1)
}
return
}
显然，标记为 sys 的系统调用使用的是 Syscall 或者 Syscall6，标记为 sysnb 的系统调用使用的是 RawSyscall 或 RawSyscall6。
wrapped 的系统调用是怎么一回事呢？
func Rename(oldpath string, newpath string) (err error) {
return Renameat(_AT_FDCWD, oldpath, _AT_FDCWD, newpath)
}
可能是觉得系统调用的名字不太好，或者参数太多，我们就简单包装一下。没啥特别的。
runtime 中的 SYSCALL
除了上面提到的阻塞非阻塞和 wrapped syscall，runtime 中还定义了一些 low-level 的 syscall，这些是不暴露给用户的。
提供给用户的 syscall 库，在使用时，会使 goroutine 和 p 分别进入 Gsyscall 和 Psyscall 状态。但 runtime 自己封装的这些 syscall 无论是否阻塞，都不会调用 entersyscall 和 exitsyscall。 虽说是 “low-level” 的 syscall，
不过和暴露给用户的 syscall 本质是一样的。这些代码在 runtime/sys_linux_amd64.s 中，举个具体的例子:
TEXT runtime·write(SB),NOSPLIT,$0-28
MOVQ fd+0(FP), DI
MOVQ p+8(FP), SI
MOVL n+16(FP), DX
MOVL $SYS_write, AX
SYSCALL
CMPQ AX, $0xfffffffffffff001
JLS 2(PC)
MOVL $-1, AX
MOVL AX, ret+24(FP)
RET
TEXT runtime·read(SB),NOSPLIT,$0-28
MOVL fd+0(FP), DI
MOVQ p+8(FP), SI
MOVL n+16(FP), DX
MOVL $SYS_read, AX
SYSCALL
CMPQ AX, $0xfffffffffffff001
JLS 2(PC)
MOVL $-1, AX
MOVL AX, ret+24(FP)
RET
下面是所有 runtime 另外定义的 syscall 列表:
#define SYS_read 0
#define SYS_write 1
#define SYS_open 2
#define SYS_close 3
#define SYS_mmap 9
#define SYS_munmap 11
#define SYS_brk 12
#define SYS_rt_sigaction 13
#define SYS_rt_sigprocmask 14
#define SYS_rt_sigreturn 15
#define SYS_access 21
#define SYS_sched_yield 24
#define SYS_mincore 27
#define SYS_madvise 28
#define SYS_setittimer 38
#define SYS_getpid 39
#define SYS_socket 41
#define SYS_connect 42
#define SYS_clone 56
#define SYS_exit 60
#define SYS_kill 62
#define SYS_fcntl 72
#define SYS_getrlimit 97
#define SYS_sigaltstack 131
#define SYS_arch_prctl 158
#define SYS_gettid 186
#define SYS_tkill 200
#define SYS_futex 202
#define SYS_sched_getaffinity 204
#define SYS_epoll_create 213
#define SYS_exit_group 231
#define SYS_epoll_wait 232
#define SYS_epoll_ctl 233
#define SYS_pselect6 270
#define SYS_epoll_create1 291
这些 syscall 理论上都是不会在执行期间被调度器剥离掉 p 的，所以执行成功之后 goroutine 会继续执行，而不像用户的 goroutine 一样，若被剥离 p 会进入等待队列。
和调度的交互
既然要和调度交互，那友好地通知我要 syscall 了: entersyscall，我完事了: exitsyscall。
所以这里的交互指的是用户代码使用 syscall 库时和调度器的交互。runtime 里的 syscall 不走这套流程。
entersyscall
// syscall 库和 cgo 调用的标准入口
//go:nosplit
func entersyscall() {
reentersyscall(getcallerpc(), getcallersp())
}
//go:nosplit
func reentersyscall(pc, sp uintptr) {
_g_ := getg()
// 需要禁止 g 的抢占
_g_.m.locks++
// entersyscall 中不能调用任何会导致栈增长/分裂的函数
_g_.stackguard0 = stackPreempt
// 设置 throwsplit，在 newstack 中，如果发现 throwsplit 是 true
// 会直接 crash
// 下面的代码是 newstack 里的
// if thisg.m.curg.throwsplit {
// throw("runtime: stack split at bad time")
// }
_g_.throwsplit = true
// Leave SP around for GC and traceback.
// 保存现场，在 syscall 之后会依据这些数据恢复现场
save(pc, sp)
_g_.syscallsp = sp
_g_.syscallpc = pc
casgstatus(_g_, _Grunning, _Gsyscall)
if _g_.syscallsp < _g_.stack.lo || _g_.stack.hi < _g_.syscallsp {
systemstack(func() {
print("entersyscall inconsistent ", hex(_g_.syscallsp), " [", hex(_g_.stack.lo), ",", hex(_g_.stack.hi), "]\n")
throw("entersyscall")
})
}
if atomic.Load(&sched.sysmonwait) != 0 {
systemstack(entersyscall_sysmon)
save(pc, sp)
}
if _g_.m.p.ptr().runSafePointFn != 0 {
// runSafePointFn may stack split if run on this stack
systemstack(runSafePointFn)
save(pc, sp)
}
_g_.m.syscalltick = _g_.m.p.ptr().syscalltick
_g_.sysblocktraced = true
_g_.m.mcache = nil
_g_.m.p.ptr().m = 0
atomic.Store(&_g_.m.p.ptr().status, _Psyscall)
if sched.gcwaiting != 0 {
systemstack(entersyscall_gcwait)
save(pc, sp)
}
_g_.m.locks--
}
可以看到，进入 syscall 的 G 是铁定不会被抢占的。
exitsyscall
// g 已经退出了 syscall
// 需要准备让 g 在 cpu 上重新运行
// 这个函数只会在 syscall 库中被调用，在 runtime 里用的 low-level syscall
// 不会用到
// 不能有 write barrier，因为 P 可能已经被偷走了
//go:nosplit
//go:nowritebarrierrec
func exitsyscall(dummy int32) {
_g_ := getg()
_g_.m.locks++ // see comment in entersyscall
if getcallersp(unsafe.Pointer(&dummy)) > _g_.syscallsp {
// throw calls print which may try to grow the stack,
// but throwsplit == true so the stack can not be grown;
// use systemstack to avoid that possible problem.
systemstack(func() {
throw("exitsyscall: syscall frame is no longer valid")
})
}
_g_.waitsince = 0
oldp := _g_.m.p.ptr()
if exitsyscallfast() {
if _g_.m.mcache == nil {
systemstack(func() {
throw("lost mcache")
})
}
// 目前有 p，可以运行
_g_.m.p.ptr().syscalltick++
// 把 g 的状态修改回 running
casgstatus(_g_, _Gsyscall, _Grunning)
// 垃圾收集未在运行(因为我们这段逻辑在执行)
// 所以清理掉 syscallsp 是安全的
_g_.syscallsp = 0
_g_.m.locks--
if _g_.preempt {
// 防止在 newstack 中清理掉 preemption 标记
_g_.stackguard0 = stackPreempt
} else {
// 否则恢复在 entersyscall/entersyscallblock 中破坏掉的正常的 _StackGuard
_g_.stackguard0 = _g_.stack.lo + _StackGuard
}
_g_.throwsplit = false
return
}
_g_.sysexitticks = 0
_g_.m.locks--
// 调用 scheduler
mcall(exitsyscall0)
if _g_.m.mcache == nil {
systemstack(func() {
throw("lost mcache")
})
}
// 调度器返回了，所以我们可以清理掉在 syscall 期间为垃圾收集器
// 准备的 syscallsp 信息了
// 需要一直等待到 gosched 返回，我们不确定垃圾收集器是不是在运行
_g_.syscallsp = 0
_g_.m.p.ptr().syscalltick++
_g_.throwsplit = false
}
这里还调用了 exitsyscallfast 和 exitsyscall0。
exitsyscallfast
//go:nosplit
func exitsyscallfast() bool {
_g_ := getg()
// Freezetheworld sets stopwait but does not retake P's.
if sched.stopwait == freezeStopWait {
_g_.m.mcache = nil
_g_.m.p = 0
return false
}
// Try to re-acquire the last P.
if _g_.m.p != 0 && _g_.m.p.ptr().status == _Psyscall && atomic.Cas(&_g_.m.p.ptr().status, _Psyscall, _Prunning) {
// There's a cpu for us, so we can run.
exitsyscallfast_reacquired()
return true
}
// Try to get any other idle P.
oldp := _g_.m.p.ptr()
_g_.m.mcache = nil
_g_.m.p = 0
if sched.pidle != 0 {
var ok bool
systemstack(func() {
ok = exitsyscallfast_pidle()
})
if ok {
return true
}
}
return false
}
总之就是努力获取一个 P 来执行 syscall 之后的逻辑。如果哪都没有 P 可以给我们用，那就进入 exitsyscall0 了。
mcall(exitsyscall0)
调用 exitsyscall0 时，会切换到 g0 栈。
exitsyscall0
// 在 exitsyscallfast 中吃瘪了，没办法，慢慢来
// 把 g 的状态设置成 runnable，先进 runq 等着
//go:nowritebarrierrec
func exitsyscall0(gp *g) {
_g_ := getg()
casgstatus(gp, _Gsyscall, _Grunnable)
dropg()
lock(&sched.lock)
_p_ := pidleget()
if _p_ == nil {
// 如果 P 被人偷跑了
globrunqput(gp)
} else if atomic.Load(&sched.sysmonwait) != 0 {
atomic.Store(&sched.sysmonwait, 0)
notewakeup(&sched.sysmonnote)
}
unlock(&sched.lock)
if _p_ != nil {
// 如果现在还有 p，那就用这个 p 执行
acquirep(_p_)
execute(gp, false) // Never returns.
}
if _g_.m.lockedg != 0 {
// 设置了 LockOsThread 的 g 的特殊逻辑
stoplockedm()
execute(gp, false) // Never returns.
}
stopm()
schedule() // Never returns.
}
entersyscallblock
知道自己会 block，直接就把 p 交出来了。
// 和 entersyscall 一样，就是会直接把 P 给交出去，因为知道自己是会阻塞的
//go:nosplit
func entersyscallblock(dummy int32) {
_g_ := getg()
_g_.m.locks++ // see comment in entersyscall
_g_.throwsplit = true
_g_.stackguard0 = stackPreempt // see comment in entersyscall
_g_.m.syscalltick = _g_.m.p.ptr().syscalltick
_g_.sysblocktraced = true
_g_.m.p.ptr().syscalltick++
// Leave SP around for GC and traceback.
pc := getcallerpc()
sp := getcallersp(unsafe.Pointer(&dummy))
save(pc, sp)
_g_.syscallsp = _g_.sched.sp
_g_.syscallpc = _g_.sched.pc
if _g_.syscallsp < _g_.stack.lo || _g_.stack.hi < _g_.syscallsp {
sp1 := sp
sp2 := _g_.sched.sp
sp3 := _g_.syscallsp
systemstack(func() {
print("entersyscallblock inconsistent ", hex(sp1), " ", hex(sp2), " ", hex(sp3), " [", hex(_g_.stack.lo), ",", hex(_g_.stack.hi), "]\n")
throw("entersyscallblock")
})
}
casgstatus(_g_, _Grunning, _Gsyscall)
if _g_.syscallsp < _g_.stack.lo || _g_.stack.hi < _g_.syscallsp {
systemstack(func() {
print("entersyscallblock inconsistent ", hex(sp), " ", hex(_g_.sched.sp), " ", hex(_g_.syscallsp), " [", hex(_g_.stack.lo), ",", hex(_g_.stack.hi), "]\n")
throw("entersyscallblock")
})
}
// 直接调用 entersyscallblock_handoff 把 p 交出来了
systemstack(entersyscallblock_handoff)
// Resave for traceback during blocked call.
save(getcallerpc(), getcallersp(unsafe.Pointer(&dummy)))
_g_.m.locks--
}
这个函数只有一个调用方 notesleepg，这里就不再赘述了。
entersyscallblock_handoff
func entersyscallblock_handoff() {
handoffp(releasep())
}
比较简单。。
entersyscall_sysmon
func entersyscall_sysmon() {
lock(&sched.lock)
if atomic.Load(&sched.sysmonwait) != 0 {
atomic.Store(&sched.sysmonwait, 0)
notewakeup(&sched.sysmonnote)
}
unlock(&sched.lock)
}
entersyscall_gcwait
func entersyscall_gcwait() {
_g_ := getg()
_p_ := _g_.m.p.ptr()
lock(&sched.lock)
if sched.stopwait > 0 && atomic.Cas(&_p_.status, _Psyscall, _Pgcstop) {
_p_.syscalltick++
if sched.stopwait--; sched.stopwait == 0 {
notewakeup(&sched.stopnote)
}
}
unlock(&sched.lock)
}
总结
提供给用户使用的系统调用，基本都会通知 runtime，以 entersyscall，exitsyscall 的形式来告诉 runtime，在这个 syscall 阻塞的时候，由 runtime 判断是否把 P 腾出来给其它的 M 用。解绑定指的是把 M 和 P 之间解绑，如果绑定被解除，在 syscall 返回时，这个 g 会被放入执行队列 runq 中。
同时 runtime 又保留了自己的特权，在执行自己的逻辑的时候，我的 P 不会被调走，这样保证了在 Go 自己“底层”使用的这些 syscall 返回之后都能被立刻处理。
所以同样是 epollwait，runtime 用的是不能被别人打断的，你用的 syscall.EpollWait 那显然是没有这种特权的。
