morestack与goroutine pool

2017-07-21

Go语言的goroutine初始栈大小只有2K，如果运行过程中调用链比较长，超过的这个大小的时候，栈会自动地扩张。这个时候会调用到一个函数runtime.morestack。开一个goroutine本身开销非常小，但是调用morestack进行扩栈的开销是比较大的。想想，如果函数的栈扩张了，有人引用原栈上的对象怎么办？所以morestack的时候，里面的对象都是需要调整位置的，指针都要重定位到新的栈。栈越大，涉及到需要调整的对象越多，调用morestack的时候开销也越大。

我们可以写一个简单的bench，这个函数递归调用是比较消耗栈空间的：

func f(n int) {
  var useStack [100]byte
  if n == 0 {
    return
  }
  _ = useStack[3]
  f(n - 1)
}

下面是对比测试：

func bench1() {
  var wg sync.WaitGroup

  for i := 0; i < benchCount; i++ {
    wg.Add(1)
    go func() {
      for j := 0; j < 15; j++ {
        f(2)
      }
      wg.Done()
    }()
    wg.Wait()
  }
}
func bench2() {
  var wg sync.WaitGroup

  for i := 0; i < benchCount; i++ {
    wg.Add(1)
    go func() {
      f(30)
      wg.Done()
    }()
    wg.Wait()
  }
}

两者工作量是一样的，但bench1不会触发runtime.morestack，bench2会触发，可以看到结果相差了一个数量级：

bench1 used: 52480486 ns
bench2 used: 559074503 ns

我们的项目里有发现这个问题，morestack的CPU时间几乎占到了10%。隔壁友商cockroach也发现这个问题。怎么解决呢？

有两个方向，一个是初始分配更大的初始栈，比如起goroutine后，先调用下面这个函数，将栈扩到8K：

// reserveStack reserves 8KB memory on the stack to avoid runtime.morestack.
func reserveStack(dummy bool) {
  var buf [8 << 10]byte
  // avoid compiler optimize the buf out.
  if dummy {
    for i := range buf {
      buf[i] = byte(i)
    }
  }
}

提前预留栈空间的方式，相比程序跑到后面栈不够了扩栈，开销低一些。cockroach是这个做法。实测时我发现morestak的开销并没有被消除，而是转移了。

所以我要说的是另一个方向，goroutine pool。

其实goroutine这么轻量的东西，其实本身做池意义并不大，随用随开，用完就扔，挺好的。然而在触发morestack的情况下，这个开销就有点高，在火焰图上是可以抓到的(go pprof不那么敏感)。采用pool之后，如果goroutine被扩栈了，再还到pool里面，下次拿出来时是一个已扩栈过的goroutine，因此可以避免morestack。

接下来说说这个goroutine pool该怎么写。

我希望接口是这个子的：

pool = New()  // 创建pool
pool.Go(func() {
    // do something
})

跟调用

go func() {
}()

效果是一模一样的，只不过pool.Go执行闭包函数以后，goroutine不是退出，而是放回到池子以，供下次再调用。

为此，我们要将goroutine抽象成一种资源，

func (pool *Pool) Go(f func()) {
     res := pool.get()
     res.run(f)
     // pool.put(res) 这里还不能归还，后面讲为什么
}

这个资源比较特殊，它是由一个channel和一个后台goroutine组成：

type res struct {
     ch chan
     pool *Pool
}
go func(r *res) {
   for work := r.ch {
       work()
       r.pool.put(res)
   }
}

run只需要往channel里投喂，后台的goroutine拿到work后就会执行它。

func (r *res) run(f) {
    r.ch <- f 
}

这里有个细节，执行完以后归还到goroutine pool，要留下work执行完以后做，因为res.run(f)是非阻塞的。

池子的实现是比较容易的，用链表就可以了，把res串起来，首尾结点，尾进头出。不过要注意线程安全，想优化可以把首尾结点的访问分开加锁，甚至用无锁队形来实现。

注意到，我没有为pool设计Close接口，为什么？这是有意为之的。那么，池子里的goroutine什么时候释放呢？设计成过一段时间不用自动回收。

从经验上看，只要涉及重用goroutine的代码，都有很大概率发生泄漏问题，尤其是调用close以及close的实现。分配出去的资源，它是属于池子呢，还是不属于池子呢？关闭的池子时候是等资源还回来呢？还是不等呢？如果归还资源的时候，池子已经关闭了呢？关闭的瞬间，跟正在读写池子的请求，如何处理好加锁呢？所以这是一个设计上的问题。

每次使用都打上最后使用的时间，多起一个回收的goroutine定期的扫描池子内的goroutine，如果很久没用过，就回收掉。这个回收的goroutine如果发现池子里一个goroutine都没了，那它自己也退出，非常干净，完全不会有泄漏。退出前要加个标记，如果池子又被使用了，重新创建回收goroutine起来工作。

完整的代码，可以看看这个PR里面。

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