Go语言高级编程：3.8 例子：Goroutine ID

在操作系统中，每个进程都会有一个唯一的进程编号，每个线程也有自己唯一的线程编号。同样在Go语言中，每个Goroutine也有自己唯一的Go程编号，这个编号在panic等场景下经常遇到。虽然Goroutine有内在的编号，但是Go语言却刻意没有提供获取该编号的接口。本节我们尝试通过Go汇编语言获取Goroutine ID。

3.8.1 故意设计没有goid

根据官方的相关资料显示，Go语言刻意没有提供goid的原因是为了避免被滥用。因为大部分用户在轻松拿到goid之后，在之后的编程中会不自觉地编写出强依赖goid的代码。强依赖goid将导致这些代码不好移植，同时也会导致并发模型复杂化。同时，Go语言中可能同时存在海量的Goroutine，但是每个Goroutine何时被销毁并不好实时监控，这也会导致依赖goid的资源无法很好地自动回收（需要手工回收）。不过如果你是Go汇编语言用户，则完全可以忽略这些借口。

3.8.2 纯Go方式获取goid

为了便于理解，我们先尝试用纯Go的方式获取goid。使用纯Go的方式获取goid的方式虽然性能较低，但是代码有着很好的移植性，同时也可以用于测试验证其它方式获取的goid是否正确。

每个Go语言用户应该都知道panic函数。调用panic函数将导致Goroutine异常，如果panic在传递到Goroutine的根函数还没有被recover函数处理掉，那么运行时将打印相关的异常和栈信息并退出Goroutine。

下面我们构造一个简单的例子，通过panic来输出goid：

package main

func main() {
    panic("goid")
}

运行后将输出以下信息：

panic: goid

goroutine 1 [running]:
main.main()
    /path/to/main.go:4 +0x40

我们可以猜测Panic输出信息goroutine 1 [running]中的1就是goid。但是如何才能在程序中获取panic的输出信息呢？其实上述信息只是当前函数调用栈帧的文字化描述，runtime.Stack函数提供了获取该信息的功能。

我们基于runtime.Stack函数重新构造一个例子，通过输出当前栈帧的信息来输出goid：

package main

import "runtime"

func main() {
    var buf = make([]byte, 64)
    var stk = buf[:runtime.Stack(buf, false)]
    print(string(stk))
}

运行后将输出以下信息：

goroutine 1 [running]:
main.main()
    /path/to/main.g

因此从runtime.Stack获取的字符串中就可以很容易解析出goid信息：

func GetGoid() int64 {
    var (
        buf [64]byte
        n   = runtime.Stack(buf[:], false)
        stk = strings.TrimPrefix(string(buf[:n]), "goroutine ")
    )

    idField := strings.Fields(stk)[0]
    id, err := strconv.Atoi(idField)
    if err != nil {
        panic(fmt.Errorf("can not get goroutine id: %v", err))
    }

    return int64(id)
}

GetGoid函数的细节我们不再赘述。需要补充说明的是runtime.Stack函数不仅仅可以获取当前Goroutine的栈信息，还可以获取全部Goroutine的栈信息（通过第二个参数控制）。同时在Go语言内部的 net/http2.curGoroutineID 函数正是采用类似方式获取的goid。

3.8.3 从g结构体获取goid

根据官方的Go汇编语言文档，每个运行的Goroutine结构的g指针保存在当前运行Goroutine的系统线程的局部存储TLS中。可以先获取TLS线程局部存储，然后再从TLS中获取g结构的指针，最后从g结构中取出goid。

下面是参考runtime包中定义的get_tls宏获取g指针：

get_tls(CX)
MOVQ g(CX), AX     // Move g into AX.

其中get_tls是一个宏函数，在 runtime/go_tls.h 头文件中定义。

对于AMD64平台，get_tls宏函数定义如下：

#ifdef GOARCH_amd64
#define    get_tls(r)    MOVQ TLS, r
#define    g(r)    0(r)(TLS*1)
#endif

将get_tls宏函数展开之后，获取g指针的代码如下：

MOVQ TLS, CX
MOVQ 0(CX)(TLS*1), AX

其实TLS类似线程局部存储的地址，地址对应的内存里的数据才是g指针。我们还可以更直接一点:

MOVQ (TLS), AX

基于上述方法可以包装一个getg函数，用于获取g指针：

// func getg() unsafe.Pointer
TEXT ·getg(SB), NOSPLIT, $0-8
    MOVQ (TLS), AX
    MOVQ AX, ret+0(FP)
    RET

然后在Go代码中通过goid成员在g结构体中的偏移量来获取goid的值：

const g_goid_offset = 152 // Go1.10

func GetGroutineId() int64 {
    g := getg()
    p := (*int64)(unsafe.Pointer(uintptr(g) + g_goid_offset))
    return *p
}

其中 g_goid_offset 是 goid 成员的偏移量，g 结构参考 runtime/runtime2.go。

在Go1.10版本，goid的偏移量是152字节。因此上述代码只能正确运行在goid偏移量也是152字节的Go版本中。根据汤普森大神的神谕，枚举和暴力穷举是解决一切疑难杂症的万金油。我们也可以将goid的偏移保存到表格中，然后根据Go版本号查询goid的偏移量。

下面是改进后的代码：

var offsetDictMap = map[string]int64{
    "go1.10": 152,
    "go1.9":  152,
    "go1.8":  192,
}

var g_goid_offset = func() int64 {
    goversion := runtime.Version()
    for key, off := range offsetDictMap {
        if goversion == key || strings.HasPrefix(goversion, key) {
            return off
        }
    }
    panic("unsupport go verion:"+goversion)
}()

现在的goid偏移量已经终于可以自动适配已经发布的Go语言版本。

3.8.4 获取g结构体对应的接口对象

枚举和暴力穷举虽然够直接，但是对于正在开发中的未发布的Go版本支持并不好，我们无法提前知晓开发中的某个版本的goid成员的偏移量。

如果是在runtime包内部，我们可以通过unsafe.OffsetOf(g.goid)直接获取成员的偏移量。也可以通过反射获取g结构体的类型，然后通过类型查询某个成员的偏移量。因为g结构体是一个内部类型，Go代码无法从外部包获取g结构体的类型信息。但是在Go汇编语言中，我们是可以看到全部的符号的，因此理论上我们也可以获取g结构体的类型信息。

在任意的类型被定义之后，Go语言都会为该类型生成对应的类型信息。比如g结构体会生成一个type·runtime·g标识符表示g结构体的值类型信息，同时还有一个type·*runtime·g标识符表示指针类型的信息。如果g结构体带有方法，那么同时还会生成go.itab.runtime.g和go.itab.*runtime.g类型信息，用于表示带方法的类型信息。

如果我们能够拿到表示g结构体类型的type·runtime·g和g指针，那么就可以构造g对象的接口。下面是改进的getg函数，返回g指针对象的接口：

// func getg() interface{}
TEXT ·getg(SB), NOSPLIT, $32-16
    // get runtime.g
    MOVQ (TLS), AX
    // get runtime.g type
    MOVQ $type·runtime·g(SB), BX

    // convert (*g) to interface{}
    MOVQ AX, 8(SP)
    MOVQ BX, 0(SP)
    CALL runtime·convT2E(SB)
    MOVQ 16(SP), AX
    MOVQ 24(SP), BX

    // return interface{}
    MOVQ AX, ret+0(FP)
    MOVQ BX, ret+8(FP)
    RET

其中AX寄存器对应g指针，BX寄存器对应g结构体的类型。然后通过runtime·convT2E函数将类型转为接口。因为我们使用的不是g结构体指针类型，因此返回的接口表示的g结构体值类型。理论上我们也可以构造g指针类型的接口，但是因为Go汇编语言的限制，我们无法使用type·*runtime·g标识符。

基于g返回的接口，就可以容易获取goid了：

func GetGoid() int64 {
    g := getg()
    gid := reflect.ValueOf(g).FieldByName("goid").Int()
    return goid
}

上述代码通过反射直接获取goid，理论上只要反射的接口和goid成员的名字不发生变化，代码都可以正常运行。经过实际测试，以上的代码可以在Go1.8、Go1.9和Go1.10版本中正确运行。乐观推测，如果g结构体类型的名字不发生变化，Go语言反射的机制也不发生变化，那么未来Go语言版本应该也是可以运行的。

反射虽然具备一定的灵活性，但是反射的性能一直是被大家诟病的地方。一个改进的思路是通过反射获取goid的偏移量，然后通过g指针和偏移量获取goid，这样反射只需要在初始化阶段执行一次。

下面是g_goid_offset变量的初始化代码：

var g_goid_offset uintptr = func() uintptr {
    g := GetGroutine()
    if f, ok := reflect.TypeOf(g).FieldByName("goid"); ok {
        return f.Offset
    }
    panic("can not find g.goid field")
}()

有了正确的goid偏移量之后，采用前面讲过的方式获取goid：

func GetGroutineId() int64 {
    g := getg()
    p := (*int64)(unsafe.Pointer(uintptr(g) + g_goid_offset))
    return *p
}

至此我们获取goid的实现思路已经足够完善了，不过汇编的代码依然有严重的安全隐患。

虽然getg函数是用NOSPLIT标志声明的禁止栈分裂的函数类型，但是getg内部又调用了更为复杂的runtime·convT2E函数。runtime·convT2E函数如果遇到栈空间不足，可能触发栈分裂的操作。而栈分裂时，GC将要挪动栈上所有函数的参数和返回值和局部变量中的栈指针。但是我们的getg函数并没有提供局部变量的指针信息。

下面是改进后的getg函数的完整实现：

// func getg() interface{}
TEXT ·getg(SB), NOSPLIT, $32-16
    NO_LOCAL_POINTERS

    MOVQ $0, ret_type+0(FP)
    MOVQ $0, ret_data+8(FP)
    GO_RESULTS_INITIALIZED

    // get runtime.g
    MOVQ (TLS), AX

    // get runtime.g type
    MOVQ $type·runtime·g(SB), BX

    // convert (*g) to interface{}
    MOVQ AX, 8(SP)
    MOVQ BX, 0(SP)
    CALL runtime·convT2E(SB)
    MOVQ 16(SP), AX
    MOVQ 24(SP), BX

    // return interface{}
    MOVQ AX, ret_type+0(FP)
    MOVQ BX, ret_data+8(FP)
    RET

其中NO_LOCAL_POINTERS表示函数没有局部指针变量。同时对返回的接口进行零值初始化，初始化完成后通过GO_RESULTS_INITIALIZED告知GC。这样可以在保证栈分裂时，GC能够正确处理返回值和局部变量中的指针。

3.8.5 goid的应用: 局部存储

有了goid之后，构造Goroutine局部存储就非常容易了。我们可以定义一个gls包提供goid的特性：

package gls

var gls struct {
    m map[int64]map[interface{}]interface{}
    sync.Mutex
}

func init() {
    gls.m = make(map[int64]map[interface{}]interface{})
}

gls包变量简单包装了map，同时通过sync.Mutex互斥量支持并发访问。

然后定义一个getMap内部函数，用于获取每个Goroutine字节的map：

func getMap() map[interface{}]interface{} {
    gls.Lock()
    defer gls.Unlock()

    goid := GetGoid()
    if m, _ := gls.m[goid]; m != nil {
        return m
    }

    m := make(map[interface{}]interface{})
    gls.m[goid] = m
    return m
}

获取到Goroutine私有的map之后，就是正常的增、删、改操作接口了：

func Get(key interface{}) interface{} {
    return getMap()[key]
}
func Put(key interface{}, v interface{}) {
    getMap()[key] = v
}
func Delete(key interface{}) {
    delete(getMap(), key)
}

最后我们再提供一个Clean函数，用于释放Goroutine对应的map资源：

func Clean() {
    gls.Lock()
    defer gls.Unlock()

    delete(gls.m, GetGoid())
}

这样一个极简的Goroutine局部存储gls对象就完成了。

下面是使用局部存储简单的例子：

import (
    gls "path/to/gls"
)

func main() {
    var wg sync.WaitGroup
    for i := 0; i < 5; i++ {
        wg.Add(1)
        go func(idx int) {
            defer wg.Done()
            defer gls.Clean()

            defer func() {
                fmt.Printf("%d: number = %d\n", idx, gls.Get("number"))
            }()
            gls.Put("number", idx+100)
        }(i)
    }
    wg.Wait()
}

通过Goroutine局部存储，不同层次函数之间可以共享存储资源。同时为了避免资源泄漏，需要在Goroutine的根函数中，通过defer语句调用gls.Clean()函数释放资源。