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予焦啦！Hoddarla 專案起步：使用 Golang 撰寫 RISC-V 作業系統的初步探索系列 第 17 篇

予焦啦！問題分析

13th鐵人賽 risc-v golang
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本節是以 Golang 上游 8854368cb076ea9a2b71c8b3c8f675a8e19b751c 為基準做的實驗

予焦啦！正式進入下半場之前，我們必須要很謹慎的分析現在的問題才行。

本節重點概念

  • Golang
    • 作業系統的執行緒抽象

最新的的狀況

...
panic: newosproc: not implemented
fatal error: panic on system stack

runtime stack:                                  
runtime.throw({0xffffffc000060eb7, 0x15})
        /home/noner/FOSS/hoddarla/ithome/go/src/runtime/panic.go:965 +0x60                      
panic({0xffffffc000058b20, 0xffffffc000071e38})
        /home/noner/FOSS/hoddarla/ithome/go/src/runtime/panic.go:740 +0x7e8
runtime.newosproc(...)                                                                          
        /home/noner/FOSS/hoddarla/ithome/go/src/runtime/os_opensbi.go:154
runtime.newm1(0xffffffcf0402a000)
        /home/noner/FOSS/hoddarla/ithome/go/src/runtime/proc.go:2244 +0x104
runtime.newm(0xffffffc000063cd8, 0x0, 0xffffffffffffffff)
        /home/noner/FOSS/hoddarla/ithome/go/src/runtime/proc.go:2223 +0x108
runtime.main.func1()
        /home/noner/FOSS/hoddarla/ithome/go/src/runtime/proc.go:175 +0x3c
runtime.systemstack()
        /home/noner/FOSS/hoddarla/ithome/go/src/runtime/asm_riscv64.s:130 +0x58
...
I000000000000000f
0000000000000000
ffffffc00002b6c0

這一連串的紀錄當中，我們最熟悉的還是最後三行，由 early_halt 所印出的三個狀態暫存器的值。但是，現在的狀況而言，這只會是個果，畢竟 scause 為寫入錯誤（0xf）且 stval 為 0，這很明顯就是 Golang 在 fatalthrow 函數尾聲故意對 0 位址寫入的動作，不是重點。接下來的追查方向應該是，現在我們看到的回溯訊息，以及促使 Golang 印出錯誤訊息的錯誤本身。

錯誤的原因

// May run with m.p==nil, so write barriers are not allowed.
//go:nowritebarrier
func newosproc(mp *m) {
        panic("newosproc: not implemented")
}

一路呼叫過來，直到沒有真正支援的 newosproc 為止，主動地呼叫了 panic 函數，代表執行期至此已經無法處理了。但原本一個正常的 newosproc 呼叫應該會怎麼進行呢？以 Linux 為例：

func newosproc(mp *m) {
        stk := unsafe.Pointer(mp.g0.stack.hi)
        /*
         * note: strace gets confused if we use CLONE_PTRACE here.
         */
        if false {
                print("newosproc stk=", stk, " m=", mp, " g=", mp.g0, " clone=", abi.FuncPCABI0(clone), " id=", mp.id, " ostk=", &mp, "\n")
        }

        // Disable signals during clone, so that the new thread starts
        // with signals disabled. It will enable them in minit.
        var oset sigset
        sigprocmask(_SIG_SETMASK, &sigset_all, &oset)
        ret := clone(cloneFlags, stk, unsafe.Pointer(mp), unsafe.Pointer(mp.g0), unsafe.Pointer(abi.FuncPCABI0(mstart)))
        sigprocmask(_SIG_SETMASK, &oset, nil)

        if ret < 0 {
                print("runtime: failed to create new OS thread ...

它先透過傳入的 mp 結構取得堆疊（mp.g0.stack.hi，別忘了堆疊在這裡是從高位往低位成長）、所屬的主要共常式（goroutine: g0），以及執行緒進入點（mstart），然後使用系統呼叫 clone 來生成一個新的行程或是執行緒。當然還有一些訊號（signal）處理，不過它們無關宏旨。隨之而來的是一堆問題：現在怎麼辦？人家 linux/riscv64 系統組合有這麼多功能，怎麼複製過來？還可以繼續問下去。

但我們先暫且不追究太深。OpenSBI 只是韌體層，無論如何都不可能幫我們生出需要複雜行程管理的作業系統功能。我們先把問題現狀看完，再做決定。前文省略的回溯訊息頗長，以下分為兩段進行重點剖析。

兩段回溯：較短的這組

goroutine 1 [running]:
runtime.systemstack_switch()
        /home/noner/FOSS/hoddarla/ithome/go/src/runtime/asm_riscv64.s:93 +0x8 fp=0xffffffcf04026
7a8 sp=0xffffffcf040267a0 pc=0xffffffc000051178
runtime.main()
        /home/noner/FOSS/hoddarla/ithome/go/src/runtime/proc.go:174 +0x88 fp=0xffffffcf040267d8 
sp=0xffffffcf040267a8 pc=0xffffffc0000312c0
runtime.goexit()
        /home/noner/FOSS/hoddarla/ithome/go/src/runtime/asm_riscv64.s:494 +0x4 fp=0xffffffcf0402
67d8 sp=0xffffffcf040267d8 pc=0xffffffc0000513e4

首先啟人疑竇的是，這一段回溯看起來從 goexit 開始。可是，我們一開始都是從 rt0_go 出發的，何以現在回溯訊息看起來面目全非？這是因為在 rt0_go 的尾聲，有一段設置：

...
        CALL    runtime·osinit(SB)
        CALL    runtime·schedinit(SB)

        // create a new goroutine to start program
        MOV     $runtime·mainPC(SB), T0         // entry
        ADD     $-16, X2
        MOV     T0, 8(X2)
        MOV     ZERO, 0(X2)
        CALL    runtime·newproc(SB)
        ADD     $16, X2

        // start this M
        CALL    runtime·mstart(SB)
...

前面延續自我們前幾日已經很熟悉的 osinit 函數，以及 mcommoninit 與 goargs 等函數所在的 schedinit 函數。接下來則是準備了參數並呼叫 newproc函數。

根據該函數本身的註解，newproc 其實就是一般 Golang 程式在創造共常式的時候的 go fn() 語法背後的函數。這裡相當於是創造一個共常式。

但切莫誤會，創造出來和能夠開始執行是兩回事。在 newproc 函數之尾聲，有個 runqput，即是將新的共常式放置到執行佇列之中。一般的 Golang 共常式的生命週期就應當如此。而我們此時執行的 g0 是特殊的執行期初始用共常式。

與其身份相當的是 m0，是特殊的執行期初始執行緒。執行緒（M）這種單位，在一般的 Golang 使用情境之內，隱約對應到作業系統執行緒去，如我們前一小節所見到的 newosproc 那樣。無論如何，在 rt0_go 的最後，mstart 呼叫，讓 m0 正式起始運作。

呼叫 mstart 為止的這段時間，如果使用 gdb 觀察，可以發現這時候的回溯紀錄都還是從 rt0 起算（為何不是從 rt1_opensbi_riscv64 開始算呢？因為我們是跳躍過來，而非呼叫的）。但是到了 mstart 之後，

TEXT runtime·mstart(SB),NOSPLIT|TOPFRAME,$0
        CALL    runtime·mstart0(SB)
        RET // not reached

這個特殊的 TOPFRAME 關鍵字生效，取而代之而成為回溯堆疊中的最原始函數。以運行到後來的狀況為例：

(gdb) bt
#0  runtime.gogo () at /home/noner/FOSS/hoddarla/ithome/go/src/runtime/asm_riscv64.s:231
#1  0xffffffc000035d34 in runtime.execute (gp=0xffffffcf040001a0, inheritTime=true)
    at /home/noner/FOSS/hoddarla/ithome/go/src/runtime/proc.go:2693
#2  0xffffffc000037cbc in runtime.schedule ()
    at /home/noner/FOSS/hoddarla/ithome/go/src/runtime/proc.go:3399
#3  0xffffffc000033d2c in runtime.mstart1 ()
    at /home/noner/FOSS/hoddarla/ithome/go/src/runtime/proc.go:1407
#4  0xffffffc000033c44 in runtime.mstart0 ()
    at /home/noner/FOSS/hoddarla/ithome/go/src/runtime/proc.go:1358
#5  0xffffffc000051150 in runtime.mstart ()
    at /home/noner/FOSS/hoddarla/ithome/go/src/runtime/asm_riscv64.s:73

這看起來已經像是從 mstart 開始的了。無論如何，參考引用的回溯堆疊的話，schedule 正是這個執行緒準備好了適當的資源，並自執行佇列當中試圖拿出一個共常式來執行的呼叫。由於先前也只配置了一個新的共常式並置放進入，這時也會將之取出。execute 試著執行之，到 gogo 是使用組合語言的部分，轉接應用二進制介面（ABI, Application Binary Interface）：

// func gogo(buf *gobuf)
TEXT runtime·gogo(SB), NOSPLIT|NOFRAME, $0-8
        MOV     buf+0(FP), T0
        MOV     gobuf_g(T0), T1
        MOV     0(T1), ZERO // make sure g != nil
        JMP     gogo<>(SB)

TEXT gogo<>(SB), NOSPLIT|NOFRAME, $0
        MOV     T1, g
        CALL    runtime·save_g(SB)

        MOV     gobuf_sp(T0), X2
        MOV     gobuf_lr(T0), RA
        MOV     gobuf_ret(T0), A0
        MOV     gobuf_ctxt(T0), CTXT
        MOV     ZERO, gobuf_sp(T0)
        MOV     ZERO, gobuf_ret(T0)
        MOV     ZERO, gobuf_lr(T0)
        MOV     ZERO, gobuf_ctxt(T0)
        MOV     gobuf_pc(T0), T0
        JALR    ZERO, T0

從 gobuf 取出的資訊當中，最重要的就是在 T1 暫存器當中的共常式本身。透過 gobuf，也陸續取出堆疊指標（X2）、回傳位址（RA，這就是為什麼回溯記錄會看到 goexit 函數，因為稍早在 newproc 函數內指定了）、回傳值（A0） 與上下文（CTXT，runtime.mainPC）。這些內容相當於是 g.sched 子成員結構的內容，且最後提取的程式指標置放在 T0 暫存器，並跳躍過去（實質內容為 runtime.main）執行。

mainPC 是在組合語言檔案裡面宣告的，架構相依的唯讀變數，用以存放 runtime.main。可參考 src/runtime/asm_riscv64.s

DATA    runtime·mainPC+0(SB)/8,$runtime·main(SB)
GLOBL   runtime·mainPC(SB),RODATA,$8

所以這就是為什麼這一組回溯紀錄裡面看到 goexit 出發、在 runtime.main 裡面執行到 stack_switch。

兩段回溯：較長的這組

runtime stack:                                  
runtime.throw({0xffffffc000060eb7, 0x15})
        /home/noner/FOSS/hoddarla/ithome/go/src/runtime/panic.go:965 +0x60                      
panic({0xffffffc000058b20, 0xffffffc000071e38})
        /home/noner/FOSS/hoddarla/ithome/go/src/runtime/panic.go:740 +0x7e8
runtime.newosproc(...)                                                                          
        /home/noner/FOSS/hoddarla/ithome/go/src/runtime/os_opensbi.go:154
runtime.newm1(0xffffffcf0402a000)
        /home/noner/FOSS/hoddarla/ithome/go/src/runtime/proc.go:2244 +0x104
runtime.newm(0xffffffc000063cd8, 0x0, 0xffffffffffffffff)
        /home/noner/FOSS/hoddarla/ithome/go/src/runtime/proc.go:2223 +0x108
runtime.main.func1()
        /home/noner/FOSS/hoddarla/ithome/go/src/runtime/proc.go:175 +0x3c
runtime.systemstack()
        /home/noner/FOSS/hoddarla/ithome/go/src/runtime/asm_riscv64.s:130 +0x58

在 main 裡面的以下片段：

        if GOARCH != "wasm" { // no threads on wasm yet, so no sysmon
                // For runtime_syscall_doAllThreadsSyscall, we
                // register sysmon is not ready for the world to be
                // stopped.
                atomic.Store(&sched.sysmonStarting, 1)
                systemstack(func() {
                        newm(sysmon, nil, -1)
                })
        }

一般來說，一個執行緒內（M）會有的共常式有三種：g0、gsignal 與其他正常的共常式。透過 systemstack 函數，執行緒本身會切換共常式，只有當當前共常式為 g0 或 gsignal 兩者其中之一的執行環境才符合所謂的系統堆疊。由於進到這裡之時，是一個配置出來的普通共常式，因此切換堆疊之後，就形成前一小節的回溯紀錄；切換回 g0 之後的，則在這裡進入 newm 呼叫，最終呼叫到沒有實作的 newosproc。

newm 的命名當然代表了該函數的目的是要創造一個執行緒，且令它以 sysmon 函數作為入口，開始運行。雖然我們不會深入介紹 sysmon，但大致上可以將之理解為 Golang 執行期的一個背景監控執行緒。至於為什麼非得切換堆疊不可，筆者此時的理解只能從註解中窺得一點點：g0 共常式的堆疊來自於作業系統，且 gsignal 的堆疊來自訊號處理初始化時的設置，兩者都比一般的共常式所受到的限制還要少。

分析

同前一大章的記憶體管理部分，我們缺乏作業系統支援，所以就自己做。現在也是一樣，我們缺乏多程式（multiprogramming）能力，當然也得自己做了。

為什麼說缺乏多程式？設想，這些 Golang 初始化過程，要是在一部單核心電腦的 Linux 作業系統上執行，其實整個 Golang 可以很舒服地待在這個抽象層裡面；當前的執行緒會被 Linux 核心做上下文切換，而也許過一陣子之後就換成這裡新創出來的 sysmon 執行緒去執行。而又過一陣子，或許又切回來 m0 本身。以高速的切換，達到分時（time sharing）的效果。

也就是說，接下來 Golang 執行期需要的功能，其實相當於一般作業系統的兩個部分：

  • 中斷（interrupt）：上述的段落中都有提到「過一陣子」。要是沒有計時器中斷（timer interrupt）進入，根本沒有辦法判斷。
  • 行程管理：假設我們也將執行緒當作一種行程的話，那麼 Golang 本身預期這些執行緒開起來之後，是要能夠自動被底下的神奇機制切換執行的。

小結

予焦啦！我們走訪了一下在 runtime.main 函數之前的追蹤與分析，以理解我們接下來需要哪些機制。光看錯誤訊息的話，當然是可以對應到 Linux 的 clone 或是 NetBSD 的 lwp_create 這種系統呼叫，但就算我們能夠複製整個執行緒需要的所有資料節構，還是什麼也沒有，單核心之上還是只有一個東西在跑。我們需要更整體的機制分析，才有辦法度過這個挑戰。

今天以前的重頭戲是讓 opensbi/riscv64 系統組合能夠有個環境可以開發，並將 Golang 記憶體管理機制跑在 RISC-V 的作業系統模式之上。至今，所有的行為都是同步的（synchronous）。但生命不可能只有同步的事件。非同步（asynchronous）事件，也就是中斷的處理，就是接下來的重頭戲了。各位讀者，我們在明天開始的下半場再會吧！


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