]> Cypherpunks.ru repositories - gostls13.git/blob - src/runtime/mgcpacer.go
all: fix spelling
[gostls13.git] / src / runtime / mgcpacer.go
1 // Copyright 2021 The Go Authors. All rights reserved.
2 // Use of this source code is governed by a BSD-style
3 // license that can be found in the LICENSE file.
4
5 package runtime
6
7 import (
8         "internal/cpu"
9         "internal/goexperiment"
10         "runtime/internal/atomic"
11         "unsafe"
12 )
13
14 // go119MemoryLimitSupport is a feature flag for a number of changes
15 // related to the memory limit feature (#48409). Disabling this flag
16 // disables those features, as well as the memory limit mechanism,
17 // which becomes a no-op.
18 const go119MemoryLimitSupport = true
19
20 const (
21         // gcGoalUtilization is the goal CPU utilization for
22         // marking as a fraction of GOMAXPROCS.
23         //
24         // Increasing the goal utilization will shorten GC cycles as the GC
25         // has more resources behind it, lessening costs from the write barrier,
26         // but comes at the cost of increasing mutator latency.
27         gcGoalUtilization = gcBackgroundUtilization
28
29         // gcBackgroundUtilization is the fixed CPU utilization for background
30         // marking. It must be <= gcGoalUtilization. The difference between
31         // gcGoalUtilization and gcBackgroundUtilization will be made up by
32         // mark assists. The scheduler will aim to use within 50% of this
33         // goal.
34         //
35         // As a general rule, there's little reason to set gcBackgroundUtilization
36         // < gcGoalUtilization. One reason might be in mostly idle applications,
37         // where goroutines are unlikely to assist at all, so the actual
38         // utilization will be lower than the goal. But this is moot point
39         // because the idle mark workers already soak up idle CPU resources.
40         // These two values are still kept separate however because they are
41         // distinct conceptually, and in previous iterations of the pacer the
42         // distinction was more important.
43         gcBackgroundUtilization = 0.25
44
45         // gcCreditSlack is the amount of scan work credit that can
46         // accumulate locally before updating gcController.heapScanWork and,
47         // optionally, gcController.bgScanCredit. Lower values give a more
48         // accurate assist ratio and make it more likely that assists will
49         // successfully steal background credit. Higher values reduce memory
50         // contention.
51         gcCreditSlack = 2000
52
53         // gcAssistTimeSlack is the nanoseconds of mutator assist time that
54         // can accumulate on a P before updating gcController.assistTime.
55         gcAssistTimeSlack = 5000
56
57         // gcOverAssistWork determines how many extra units of scan work a GC
58         // assist does when an assist happens. This amortizes the cost of an
59         // assist by pre-paying for this many bytes of future allocations.
60         gcOverAssistWork = 64 << 10
61
62         // defaultHeapMinimum is the value of heapMinimum for GOGC==100.
63         defaultHeapMinimum = (goexperiment.HeapMinimum512KiBInt)*(512<<10) +
64                 (1-goexperiment.HeapMinimum512KiBInt)*(4<<20)
65
66         // maxStackScanSlack is the bytes of stack space allocated or freed
67         // that can accumulate on a P before updating gcController.stackSize.
68         maxStackScanSlack = 8 << 10
69
70         // memoryLimitHeapGoalHeadroom is the amount of headroom the pacer gives to
71         // the heap goal when operating in the memory-limited regime. That is,
72         // it'll reduce the heap goal by this many extra bytes off of the base
73         // calculation.
74         memoryLimitHeapGoalHeadroom = 1 << 20
75 )
76
77 func init() {
78         if offset := unsafe.Offsetof(gcController.heapLive); offset%8 != 0 {
79                 println(offset)
80                 throw("gcController.heapLive not aligned to 8 bytes")
81         }
82 }
83
84 // gcController implements the GC pacing controller that determines
85 // when to trigger concurrent garbage collection and how much marking
86 // work to do in mutator assists and background marking.
87 //
88 // It calculates the ratio between the allocation rate (in terms of CPU
89 // time) and the GC scan throughput to determine the heap size at which to
90 // trigger a GC cycle such that no GC assists are required to finish on time.
91 // This algorithm thus optimizes GC CPU utilization to the dedicated background
92 // mark utilization of 25% of GOMAXPROCS by minimizing GC assists.
93 // GOMAXPROCS. The high-level design of this algorithm is documented
94 // at https://github.com/golang/proposal/blob/master/design/44167-gc-pacer-redesign.md.
95 // See https://golang.org/s/go15gcpacing for additional historical context.
96 var gcController gcControllerState
97
98 type gcControllerState struct {
99         // Initialized from GOGC. GOGC=off means no GC.
100         gcPercent atomic.Int32
101
102         _ uint32 // padding so following 64-bit values are 8-byte aligned
103
104         // memoryLimit is the soft memory limit in bytes.
105         //
106         // Initialized from GOMEMLIMIT. GOMEMLIMIT=off is equivalent to MaxInt64
107         // which means no soft memory limit in practice.
108         //
109         // This is an int64 instead of a uint64 to more easily maintain parity with
110         // the SetMemoryLimit API, which sets a maximum at MaxInt64. This value
111         // should never be negative.
112         memoryLimit atomic.Int64
113
114         // heapMinimum is the minimum heap size at which to trigger GC.
115         // For small heaps, this overrides the usual GOGC*live set rule.
116         //
117         // When there is a very small live set but a lot of allocation, simply
118         // collecting when the heap reaches GOGC*live results in many GC
119         // cycles and high total per-GC overhead. This minimum amortizes this
120         // per-GC overhead while keeping the heap reasonably small.
121         //
122         // During initialization this is set to 4MB*GOGC/100. In the case of
123         // GOGC==0, this will set heapMinimum to 0, resulting in constant
124         // collection even when the heap size is small, which is useful for
125         // debugging.
126         heapMinimum uint64
127
128         // runway is the amount of runway in heap bytes allocated by the
129         // application that we want to give the GC once it starts.
130         //
131         // This is computed from consMark during mark termination.
132         runway atomic.Uint64
133
134         // consMark is the estimated per-CPU consMark ratio for the application.
135         //
136         // It represents the ratio between the application's allocation
137         // rate, as bytes allocated per CPU-time, and the GC's scan rate,
138         // as bytes scanned per CPU-time.
139         // The units of this ratio are (B / cpu-ns) / (B / cpu-ns).
140         //
141         // At a high level, this value is computed as the bytes of memory
142         // allocated (cons) per unit of scan work completed (mark) in a GC
143         // cycle, divided by the CPU time spent on each activity.
144         //
145         // Updated at the end of each GC cycle, in endCycle.
146         consMark float64
147
148         // consMarkController holds the state for the mark-cons ratio
149         // estimation over time.
150         //
151         // Its purpose is to smooth out noisiness in the computation of
152         // consMark; see consMark for details.
153         consMarkController piController
154
155         _ uint32 // Padding for atomics on 32-bit platforms.
156
157         // gcPercentHeapGoal is the goal heapLive for when next GC ends derived
158         // from gcPercent.
159         //
160         // Set to ^uint64(0) if gcPercent is disabled.
161         gcPercentHeapGoal atomic.Uint64
162
163         // sweepDistMinTrigger is the minimum trigger to ensure a minimum
164         // sweep distance.
165         //
166         // This bound is also special because it applies to both the trigger
167         // *and* the goal (all other trigger bounds must be based *on* the goal).
168         //
169         // It is computed ahead of time, at commit time. The theory is that,
170         // absent a sudden change to a parameter like gcPercent, the trigger
171         // will be chosen to always give the sweeper enough headroom. However,
172         // such a change might dramatically and suddenly move up the trigger,
173         // in which case we need to ensure the sweeper still has enough headroom.
174         sweepDistMinTrigger atomic.Uint64
175
176         // triggered is the point at which the current GC cycle actually triggered.
177         // Only valid during the mark phase of a GC cycle, otherwise set to ^uint64(0).
178         //
179         // Updated while the world is stopped.
180         triggered uint64
181
182         // lastHeapGoal is the value of heapGoal at the moment the last GC
183         // ended. Note that this is distinct from the last value heapGoal had,
184         // because it could change if e.g. gcPercent changes.
185         //
186         // Read and written with the world stopped or with mheap_.lock held.
187         lastHeapGoal uint64
188
189         // heapLive is the number of bytes considered live by the GC.
190         // That is: retained by the most recent GC plus allocated
191         // since then. heapLive ≤ memstats.totalAlloc-memstats.totalFree, since
192         // heapAlloc includes unmarked objects that have not yet been swept (and
193         // hence goes up as we allocate and down as we sweep) while heapLive
194         // excludes these objects (and hence only goes up between GCs).
195         //
196         // This is updated atomically without locking. To reduce
197         // contention, this is updated only when obtaining a span from
198         // an mcentral and at this point it counts all of the
199         // unallocated slots in that span (which will be allocated
200         // before that mcache obtains another span from that
201         // mcentral). Hence, it slightly overestimates the "true" live
202         // heap size. It's better to overestimate than to
203         // underestimate because 1) this triggers the GC earlier than
204         // necessary rather than potentially too late and 2) this
205         // leads to a conservative GC rate rather than a GC rate that
206         // is potentially too low.
207         //
208         // Reads should likewise be atomic (or during STW).
209         //
210         // Whenever this is updated, call traceHeapAlloc() and
211         // this gcControllerState's revise() method.
212         heapLive uint64
213
214         // heapScan is the number of bytes of "scannable" heap. This
215         // is the live heap (as counted by heapLive), but omitting
216         // no-scan objects and no-scan tails of objects.
217         //
218         // This value is fixed at the start of a GC cycle, so during a
219         // GC cycle it is safe to read without atomics, and it represents
220         // the maximum scannable heap.
221         heapScan uint64
222
223         // lastHeapScan is the number of bytes of heap that were scanned
224         // last GC cycle. It is the same as heapMarked, but only
225         // includes the "scannable" parts of objects.
226         //
227         // Updated when the world is stopped.
228         lastHeapScan uint64
229
230         // lastStackScan is the number of bytes of stack that were scanned
231         // last GC cycle.
232         lastStackScan uint64
233
234         // maxStackScan is the amount of allocated goroutine stack space in
235         // use by goroutines.
236         //
237         // This number tracks allocated goroutine stack space rather than used
238         // goroutine stack space (i.e. what is actually scanned) because used
239         // goroutine stack space is much harder to measure cheaply. By using
240         // allocated space, we make an overestimate; this is OK, it's better
241         // to conservatively overcount than undercount.
242         //
243         // Read and updated atomically.
244         maxStackScan uint64
245
246         // globalsScan is the total amount of global variable space
247         // that is scannable.
248         //
249         // Read and updated atomically.
250         globalsScan uint64
251
252         // heapMarked is the number of bytes marked by the previous
253         // GC. After mark termination, heapLive == heapMarked, but
254         // unlike heapLive, heapMarked does not change until the
255         // next mark termination.
256         heapMarked uint64
257
258         // heapScanWork is the total heap scan work performed this cycle.
259         // stackScanWork is the total stack scan work performed this cycle.
260         // globalsScanWork is the total globals scan work performed this cycle.
261         //
262         // These are updated atomically during the cycle. Updates occur in
263         // bounded batches, since they are both written and read
264         // throughout the cycle. At the end of the cycle, heapScanWork is how
265         // much of the retained heap is scannable.
266         //
267         // Currently these are measured in bytes. For most uses, this is an
268         // opaque unit of work, but for estimation the definition is important.
269         //
270         // Note that stackScanWork includes only stack space scanned, not all
271         // of the allocated stack.
272         heapScanWork    atomic.Int64
273         stackScanWork   atomic.Int64
274         globalsScanWork atomic.Int64
275
276         // bgScanCredit is the scan work credit accumulated by the
277         // concurrent background scan. This credit is accumulated by
278         // the background scan and stolen by mutator assists. This is
279         // updated atomically. Updates occur in bounded batches, since
280         // it is both written and read throughout the cycle.
281         bgScanCredit int64
282
283         // assistTime is the nanoseconds spent in mutator assists
284         // during this cycle. This is updated atomically, and must also
285         // be updated atomically even during a STW, because it is read
286         // by sysmon. Updates occur in bounded batches, since it is both
287         // written and read throughout the cycle.
288         assistTime atomic.Int64
289
290         // dedicatedMarkTime is the nanoseconds spent in dedicated
291         // mark workers during this cycle. This is updated atomically
292         // at the end of the concurrent mark phase.
293         dedicatedMarkTime int64
294
295         // fractionalMarkTime is the nanoseconds spent in the
296         // fractional mark worker during this cycle. This is updated
297         // atomically throughout the cycle and will be up-to-date if
298         // the fractional mark worker is not currently running.
299         fractionalMarkTime int64
300
301         // idleMarkTime is the nanoseconds spent in idle marking
302         // during this cycle. This is updated atomically throughout
303         // the cycle.
304         idleMarkTime int64
305
306         // markStartTime is the absolute start time in nanoseconds
307         // that assists and background mark workers started.
308         markStartTime int64
309
310         // dedicatedMarkWorkersNeeded is the number of dedicated mark
311         // workers that need to be started. This is computed at the
312         // beginning of each cycle and decremented atomically as
313         // dedicated mark workers get started.
314         dedicatedMarkWorkersNeeded int64
315
316         // idleMarkWorkers is two packed int32 values in a single uint64.
317         // These two values are always updated simultaneously.
318         //
319         // The bottom int32 is the current number of idle mark workers executing.
320         //
321         // The top int32 is the maximum number of idle mark workers allowed to
322         // execute concurrently. Normally, this number is just gomaxprocs. However,
323         // during periodic GC cycles it is set to 0 because the system is idle
324         // anyway; there's no need to go full blast on all of GOMAXPROCS.
325         //
326         // The maximum number of idle mark workers is used to prevent new workers
327         // from starting, but it is not a hard maximum. It is possible (but
328         // exceedingly rare) for the current number of idle mark workers to
329         // transiently exceed the maximum. This could happen if the maximum changes
330         // just after a GC ends, and an M with no P.
331         //
332         // Note that if we have no dedicated mark workers, we set this value to
333         // 1 in this case we only have fractional GC workers which aren't scheduled
334         // strictly enough to ensure GC progress. As a result, idle-priority mark
335         // workers are vital to GC progress in these situations.
336         //
337         // For example, consider a situation in which goroutines block on the GC
338         // (such as via runtime.GOMAXPROCS) and only fractional mark workers are
339         // scheduled (e.g. GOMAXPROCS=1). Without idle-priority mark workers, the
340         // last running M might skip scheduling a fractional mark worker if its
341         // utilization goal is met, such that once it goes to sleep (because there's
342         // nothing to do), there will be nothing else to spin up a new M for the
343         // fractional worker in the future, stalling GC progress and causing a
344         // deadlock. However, idle-priority workers will *always* run when there is
345         // nothing left to do, ensuring the GC makes progress.
346         //
347         // See github.com/golang/go/issues/44163 for more details.
348         idleMarkWorkers atomic.Uint64
349
350         // assistWorkPerByte is the ratio of scan work to allocated
351         // bytes that should be performed by mutator assists. This is
352         // computed at the beginning of each cycle and updated every
353         // time heapScan is updated.
354         assistWorkPerByte atomic.Float64
355
356         // assistBytesPerWork is 1/assistWorkPerByte.
357         //
358         // Note that because this is read and written independently
359         // from assistWorkPerByte users may notice a skew between
360         // the two values, and such a state should be safe.
361         assistBytesPerWork atomic.Float64
362
363         // fractionalUtilizationGoal is the fraction of wall clock
364         // time that should be spent in the fractional mark worker on
365         // each P that isn't running a dedicated worker.
366         //
367         // For example, if the utilization goal is 25% and there are
368         // no dedicated workers, this will be 0.25. If the goal is
369         // 25%, there is one dedicated worker, and GOMAXPROCS is 5,
370         // this will be 0.05 to make up the missing 5%.
371         //
372         // If this is zero, no fractional workers are needed.
373         fractionalUtilizationGoal float64
374
375         // These memory stats are effectively duplicates of fields from
376         // memstats.heapStats but are updated atomically or with the world
377         // stopped and don't provide the same consistency guarantees.
378         //
379         // Because the runtime is responsible for managing a memory limit, it's
380         // useful to couple these stats more tightly to the gcController, which
381         // is intimately connected to how that memory limit is maintained.
382         heapInUse    sysMemStat    // bytes in mSpanInUse spans
383         heapReleased sysMemStat    // bytes released to the OS
384         heapFree     sysMemStat    // bytes not in any span, but not released to the OS
385         totalAlloc   atomic.Uint64 // total bytes allocated
386         totalFree    atomic.Uint64 // total bytes freed
387         mappedReady  atomic.Uint64 // total virtual memory in the Ready state (see mem.go).
388
389         // test indicates that this is a test-only copy of gcControllerState.
390         test bool
391
392         _ cpu.CacheLinePad
393 }
394
395 func (c *gcControllerState) init(gcPercent int32, memoryLimit int64) {
396         c.heapMinimum = defaultHeapMinimum
397         c.triggered = ^uint64(0)
398
399         c.consMarkController = piController{
400                 // Tuned first via the Ziegler-Nichols process in simulation,
401                 // then the integral time was manually tuned against real-world
402                 // applications to deal with noisiness in the measured cons/mark
403                 // ratio.
404                 kp: 0.9,
405                 ti: 4.0,
406
407                 // Set a high reset time in GC cycles.
408                 // This is inversely proportional to the rate at which we
409                 // accumulate error from clipping. By making this very high
410                 // we make the accumulation slow. In general, clipping is
411                 // OK in our situation, hence the choice.
412                 //
413                 // Tune this if we get unintended effects from clipping for
414                 // a long time.
415                 tt:  1000,
416                 min: -1000,
417                 max: 1000,
418         }
419
420         c.setGCPercent(gcPercent)
421         c.setMemoryLimit(memoryLimit)
422         c.commit(true) // No sweep phase in the first GC cycle.
423         // N.B. Don't bother calling traceHeapGoal. Tracing is never enabled at
424         // initialization time.
425         // N.B. No need to call revise; there's no GC enabled during
426         // initialization.
427 }
428
429 // startCycle resets the GC controller's state and computes estimates
430 // for a new GC cycle. The caller must hold worldsema and the world
431 // must be stopped.
432 func (c *gcControllerState) startCycle(markStartTime int64, procs int, trigger gcTrigger) {
433         c.heapScanWork.Store(0)
434         c.stackScanWork.Store(0)
435         c.globalsScanWork.Store(0)
436         c.bgScanCredit = 0
437         c.assistTime.Store(0)
438         c.dedicatedMarkTime = 0
439         c.fractionalMarkTime = 0
440         c.idleMarkTime = 0
441         c.markStartTime = markStartTime
442         c.triggered = c.heapLive
443
444         // Compute the background mark utilization goal. In general,
445         // this may not come out exactly. We round the number of
446         // dedicated workers so that the utilization is closest to
447         // 25%. For small GOMAXPROCS, this would introduce too much
448         // error, so we add fractional workers in that case.
449         totalUtilizationGoal := float64(procs) * gcBackgroundUtilization
450         c.dedicatedMarkWorkersNeeded = int64(totalUtilizationGoal + 0.5)
451         utilError := float64(c.dedicatedMarkWorkersNeeded)/totalUtilizationGoal - 1
452         const maxUtilError = 0.3
453         if utilError < -maxUtilError || utilError > maxUtilError {
454                 // Rounding put us more than 30% off our goal. With
455                 // gcBackgroundUtilization of 25%, this happens for
456                 // GOMAXPROCS<=3 or GOMAXPROCS=6. Enable fractional
457                 // workers to compensate.
458                 if float64(c.dedicatedMarkWorkersNeeded) > totalUtilizationGoal {
459                         // Too many dedicated workers.
460                         c.dedicatedMarkWorkersNeeded--
461                 }
462                 c.fractionalUtilizationGoal = (totalUtilizationGoal - float64(c.dedicatedMarkWorkersNeeded)) / float64(procs)
463         } else {
464                 c.fractionalUtilizationGoal = 0
465         }
466
467         // In STW mode, we just want dedicated workers.
468         if debug.gcstoptheworld > 0 {
469                 c.dedicatedMarkWorkersNeeded = int64(procs)
470                 c.fractionalUtilizationGoal = 0
471         }
472
473         // Clear per-P state
474         for _, p := range allp {
475                 p.gcAssistTime = 0
476                 p.gcFractionalMarkTime = 0
477         }
478
479         if trigger.kind == gcTriggerTime {
480                 // During a periodic GC cycle, reduce the number of idle mark workers
481                 // required. However, we need at least one dedicated mark worker or
482                 // idle GC worker to ensure GC progress in some scenarios (see comment
483                 // on maxIdleMarkWorkers).
484                 if c.dedicatedMarkWorkersNeeded > 0 {
485                         c.setMaxIdleMarkWorkers(0)
486                 } else {
487                         // TODO(mknyszek): The fundamental reason why we need this is because
488                         // we can't count on the fractional mark worker to get scheduled.
489                         // Fix that by ensuring it gets scheduled according to its quota even
490                         // if the rest of the application is idle.
491                         c.setMaxIdleMarkWorkers(1)
492                 }
493         } else {
494                 // N.B. gomaxprocs and dedicatedMarkWorkersNeeded is guaranteed not to
495                 // change during a GC cycle.
496                 c.setMaxIdleMarkWorkers(int32(procs) - int32(c.dedicatedMarkWorkersNeeded))
497         }
498
499         // Compute initial values for controls that are updated
500         // throughout the cycle.
501         c.revise()
502
503         if debug.gcpacertrace > 0 {
504                 heapGoal := c.heapGoal()
505                 assistRatio := c.assistWorkPerByte.Load()
506                 print("pacer: assist ratio=", assistRatio,
507                         " (scan ", gcController.heapScan>>20, " MB in ",
508                         work.initialHeapLive>>20, "->",
509                         heapGoal>>20, " MB)",
510                         " workers=", c.dedicatedMarkWorkersNeeded,
511                         "+", c.fractionalUtilizationGoal, "\n")
512         }
513 }
514
515 // revise updates the assist ratio during the GC cycle to account for
516 // improved estimates. This should be called whenever gcController.heapScan,
517 // gcController.heapLive, or if any inputs to gcController.heapGoal are
518 // updated. It is safe to call concurrently, but it may race with other
519 // calls to revise.
520 //
521 // The result of this race is that the two assist ratio values may not line
522 // up or may be stale. In practice this is OK because the assist ratio
523 // moves slowly throughout a GC cycle, and the assist ratio is a best-effort
524 // heuristic anyway. Furthermore, no part of the heuristic depends on
525 // the two assist ratio values being exact reciprocals of one another, since
526 // the two values are used to convert values from different sources.
527 //
528 // The worst case result of this raciness is that we may miss a larger shift
529 // in the ratio (say, if we decide to pace more aggressively against the
530 // hard heap goal) but even this "hard goal" is best-effort (see #40460).
531 // The dedicated GC should ensure we don't exceed the hard goal by too much
532 // in the rare case we do exceed it.
533 //
534 // It should only be called when gcBlackenEnabled != 0 (because this
535 // is when assists are enabled and the necessary statistics are
536 // available).
537 func (c *gcControllerState) revise() {
538         gcPercent := c.gcPercent.Load()
539         if gcPercent < 0 {
540                 // If GC is disabled but we're running a forced GC,
541                 // act like GOGC is huge for the below calculations.
542                 gcPercent = 100000
543         }
544         live := atomic.Load64(&c.heapLive)
545         scan := atomic.Load64(&c.heapScan)
546         work := c.heapScanWork.Load() + c.stackScanWork.Load() + c.globalsScanWork.Load()
547
548         // Assume we're under the soft goal. Pace GC to complete at
549         // heapGoal assuming the heap is in steady-state.
550         heapGoal := int64(c.heapGoal())
551
552         // The expected scan work is computed as the amount of bytes scanned last
553         // GC cycle (both heap and stack), plus our estimate of globals work for this cycle.
554         scanWorkExpected := int64(c.lastHeapScan + c.lastStackScan + c.globalsScan)
555
556         // maxScanWork is a worst-case estimate of the amount of scan work that
557         // needs to be performed in this GC cycle. Specifically, it represents
558         // the case where *all* scannable memory turns out to be live, and
559         // *all* allocated stack space is scannable.
560         maxStackScan := atomic.Load64(&c.maxStackScan)
561         maxScanWork := int64(scan + maxStackScan + c.globalsScan)
562         if work > scanWorkExpected {
563                 // We've already done more scan work than expected. Because our expectation
564                 // is based on a steady-state scannable heap size, we assume this means our
565                 // heap is growing. Compute a new heap goal that takes our existing runway
566                 // computed for scanWorkExpected and extrapolates it to maxScanWork, the worst-case
567                 // scan work. This keeps our assist ratio stable if the heap continues to grow.
568                 //
569                 // The effect of this mechanism is that assists stay flat in the face of heap
570                 // growths. It's OK to use more memory this cycle to scan all the live heap,
571                 // because the next GC cycle is inevitably going to use *at least* that much
572                 // memory anyway.
573                 extHeapGoal := int64(float64(heapGoal-int64(c.triggered))/float64(scanWorkExpected)*float64(maxScanWork)) + int64(c.triggered)
574                 scanWorkExpected = maxScanWork
575
576                 // hardGoal is a hard limit on the amount that we're willing to push back the
577                 // heap goal, and that's twice the heap goal (i.e. if GOGC=100 and the heap and/or
578                 // stacks and/or globals grow to twice their size, this limits the current GC cycle's
579                 // growth to 4x the original live heap's size).
580                 //
581                 // This maintains the invariant that we use no more memory than the next GC cycle
582                 // will anyway.
583                 hardGoal := int64((1.0 + float64(gcPercent)/100.0) * float64(heapGoal))
584                 if extHeapGoal > hardGoal {
585                         extHeapGoal = hardGoal
586                 }
587                 heapGoal = extHeapGoal
588         }
589         if int64(live) > heapGoal {
590                 // We're already past our heap goal, even the extrapolated one.
591                 // Leave ourselves some extra runway, so in the worst case we
592                 // finish by that point.
593                 const maxOvershoot = 1.1
594                 heapGoal = int64(float64(heapGoal) * maxOvershoot)
595
596                 // Compute the upper bound on the scan work remaining.
597                 scanWorkExpected = maxScanWork
598         }
599
600         // Compute the remaining scan work estimate.
601         //
602         // Note that we currently count allocations during GC as both
603         // scannable heap (heapScan) and scan work completed
604         // (scanWork), so allocation will change this difference
605         // slowly in the soft regime and not at all in the hard
606         // regime.
607         scanWorkRemaining := scanWorkExpected - work
608         if scanWorkRemaining < 1000 {
609                 // We set a somewhat arbitrary lower bound on
610                 // remaining scan work since if we aim a little high,
611                 // we can miss by a little.
612                 //
613                 // We *do* need to enforce that this is at least 1,
614                 // since marking is racy and double-scanning objects
615                 // may legitimately make the remaining scan work
616                 // negative, even in the hard goal regime.
617                 scanWorkRemaining = 1000
618         }
619
620         // Compute the heap distance remaining.
621         heapRemaining := heapGoal - int64(live)
622         if heapRemaining <= 0 {
623                 // This shouldn't happen, but if it does, avoid
624                 // dividing by zero or setting the assist negative.
625                 heapRemaining = 1
626         }
627
628         // Compute the mutator assist ratio so by the time the mutator
629         // allocates the remaining heap bytes up to heapGoal, it will
630         // have done (or stolen) the remaining amount of scan work.
631         // Note that the assist ratio values are updated atomically
632         // but not together. This means there may be some degree of
633         // skew between the two values. This is generally OK as the
634         // values shift relatively slowly over the course of a GC
635         // cycle.
636         assistWorkPerByte := float64(scanWorkRemaining) / float64(heapRemaining)
637         assistBytesPerWork := float64(heapRemaining) / float64(scanWorkRemaining)
638         c.assistWorkPerByte.Store(assistWorkPerByte)
639         c.assistBytesPerWork.Store(assistBytesPerWork)
640 }
641
642 // endCycle computes the consMark estimate for the next cycle.
643 // userForced indicates whether the current GC cycle was forced
644 // by the application.
645 func (c *gcControllerState) endCycle(now int64, procs int, userForced bool) {
646         // Record last heap goal for the scavenger.
647         // We'll be updating the heap goal soon.
648         gcController.lastHeapGoal = c.heapGoal()
649
650         // Compute the duration of time for which assists were turned on.
651         assistDuration := now - c.markStartTime
652
653         // Assume background mark hit its utilization goal.
654         utilization := gcBackgroundUtilization
655         // Add assist utilization; avoid divide by zero.
656         if assistDuration > 0 {
657                 utilization += float64(c.assistTime.Load()) / float64(assistDuration*int64(procs))
658         }
659
660         if c.heapLive <= c.triggered {
661                 // Shouldn't happen, but let's be very safe about this in case the
662                 // GC is somehow extremely short.
663                 //
664                 // In this case though, the only reasonable value for c.heapLive-c.triggered
665                 // would be 0, which isn't really all that useful, i.e. the GC was so short
666                 // that it didn't matter.
667                 //
668                 // Ignore this case and don't update anything.
669                 return
670         }
671         idleUtilization := 0.0
672         if assistDuration > 0 {
673                 idleUtilization = float64(c.idleMarkTime) / float64(assistDuration*int64(procs))
674         }
675         // Determine the cons/mark ratio.
676         //
677         // The units we want for the numerator and denominator are both B / cpu-ns.
678         // We get this by taking the bytes allocated or scanned, and divide by the amount of
679         // CPU time it took for those operations. For allocations, that CPU time is
680         //
681         //    assistDuration * procs * (1 - utilization)
682         //
683         // Where utilization includes just background GC workers and assists. It does *not*
684         // include idle GC work time, because in theory the mutator is free to take that at
685         // any point.
686         //
687         // For scanning, that CPU time is
688         //
689         //    assistDuration * procs * (utilization + idleUtilization)
690         //
691         // In this case, we *include* idle utilization, because that is additional CPU time that the
692         // the GC had available to it.
693         //
694         // In effect, idle GC time is sort of double-counted here, but it's very weird compared
695         // to other kinds of GC work, because of how fluid it is. Namely, because the mutator is
696         // *always* free to take it.
697         //
698         // So this calculation is really:
699         //     (heapLive-trigger) / (assistDuration * procs * (1-utilization)) /
700         //         (scanWork) / (assistDuration * procs * (utilization+idleUtilization)
701         //
702         // Note that because we only care about the ratio, assistDuration and procs cancel out.
703         scanWork := c.heapScanWork.Load() + c.stackScanWork.Load() + c.globalsScanWork.Load()
704         currentConsMark := (float64(c.heapLive-c.triggered) * (utilization + idleUtilization)) /
705                 (float64(scanWork) * (1 - utilization))
706
707         // Update cons/mark controller. The time period for this is 1 GC cycle.
708         //
709         // This use of a PI controller might seem strange. So, here's an explanation:
710         //
711         // currentConsMark represents the consMark we *should've* had to be perfectly
712         // on-target for this cycle. Given that we assume the next GC will be like this
713         // one in the steady-state, it stands to reason that we should just pick that
714         // as our next consMark. In practice, however, currentConsMark is too noisy:
715         // we're going to be wildly off-target in each GC cycle if we do that.
716         //
717         // What we do instead is make a long-term assumption: there is some steady-state
718         // consMark value, but it's obscured by noise. By constantly shooting for this
719         // noisy-but-perfect consMark value, the controller will bounce around a bit,
720         // but its average behavior, in aggregate, should be less noisy and closer to
721         // the true long-term consMark value, provided its tuned to be slightly overdamped.
722         var ok bool
723         oldConsMark := c.consMark
724         c.consMark, ok = c.consMarkController.next(c.consMark, currentConsMark, 1.0)
725         if !ok {
726                 // The error spiraled out of control. This is incredibly unlikely seeing
727                 // as this controller is essentially just a smoothing function, but it might
728                 // mean that something went very wrong with how currentConsMark was calculated.
729                 // Just reset consMark and keep going.
730                 c.consMark = 0
731         }
732
733         if debug.gcpacertrace > 0 {
734                 heapGoal := c.heapGoal()
735                 printlock()
736                 goal := gcGoalUtilization * 100
737                 print("pacer: ", int(utilization*100), "% CPU (", int(goal), " exp.) for ")
738                 print(c.heapScanWork.Load(), "+", c.stackScanWork.Load(), "+", c.globalsScanWork.Load(), " B work (", c.lastHeapScan+c.lastStackScan+c.globalsScan, " B exp.) ")
739                 print("in ", c.triggered, " B -> ", c.heapLive, " B (∆goal ", int64(c.heapLive)-int64(heapGoal), ", cons/mark ", oldConsMark, ")")
740                 if !ok {
741                         print("[controller reset]")
742                 }
743                 println()
744                 printunlock()
745         }
746 }
747
748 // enlistWorker encourages another dedicated mark worker to start on
749 // another P if there are spare worker slots. It is used by putfull
750 // when more work is made available.
751 //
752 //go:nowritebarrier
753 func (c *gcControllerState) enlistWorker() {
754         // If there are idle Ps, wake one so it will run an idle worker.
755         // NOTE: This is suspected of causing deadlocks. See golang.org/issue/19112.
756         //
757         //      if atomic.Load(&sched.npidle) != 0 && atomic.Load(&sched.nmspinning) == 0 {
758         //              wakep()
759         //              return
760         //      }
761
762         // There are no idle Ps. If we need more dedicated workers,
763         // try to preempt a running P so it will switch to a worker.
764         if c.dedicatedMarkWorkersNeeded <= 0 {
765                 return
766         }
767         // Pick a random other P to preempt.
768         if gomaxprocs <= 1 {
769                 return
770         }
771         gp := getg()
772         if gp == nil || gp.m == nil || gp.m.p == 0 {
773                 return
774         }
775         myID := gp.m.p.ptr().id
776         for tries := 0; tries < 5; tries++ {
777                 id := int32(fastrandn(uint32(gomaxprocs - 1)))
778                 if id >= myID {
779                         id++
780                 }
781                 p := allp[id]
782                 if p.status != _Prunning {
783                         continue
784                 }
785                 if preemptone(p) {
786                         return
787                 }
788         }
789 }
790
791 // findRunnableGCWorker returns a background mark worker for _p_ if it
792 // should be run. This must only be called when gcBlackenEnabled != 0.
793 func (c *gcControllerState) findRunnableGCWorker(_p_ *p, now int64) *g {
794         if gcBlackenEnabled == 0 {
795                 throw("gcControllerState.findRunnable: blackening not enabled")
796         }
797
798         // Since we have the current time, check if the GC CPU limiter
799         // hasn't had an update in a while. This check is necessary in
800         // case the limiter is on but hasn't been checked in a while and
801         // so may have left sufficient headroom to turn off again.
802         if gcCPULimiter.needUpdate(now) {
803                 gcCPULimiter.update(now)
804         }
805
806         if !gcMarkWorkAvailable(_p_) {
807                 // No work to be done right now. This can happen at
808                 // the end of the mark phase when there are still
809                 // assists tapering off. Don't bother running a worker
810                 // now because it'll just return immediately.
811                 return nil
812         }
813
814         // Grab a worker before we commit to running below.
815         node := (*gcBgMarkWorkerNode)(gcBgMarkWorkerPool.pop())
816         if node == nil {
817                 // There is at least one worker per P, so normally there are
818                 // enough workers to run on all Ps, if necessary. However, once
819                 // a worker enters gcMarkDone it may park without rejoining the
820                 // pool, thus freeing a P with no corresponding worker.
821                 // gcMarkDone never depends on another worker doing work, so it
822                 // is safe to simply do nothing here.
823                 //
824                 // If gcMarkDone bails out without completing the mark phase,
825                 // it will always do so with queued global work. Thus, that P
826                 // will be immediately eligible to re-run the worker G it was
827                 // just using, ensuring work can complete.
828                 return nil
829         }
830
831         decIfPositive := func(ptr *int64) bool {
832                 for {
833                         v := atomic.Loadint64(ptr)
834                         if v <= 0 {
835                                 return false
836                         }
837
838                         if atomic.Casint64(ptr, v, v-1) {
839                                 return true
840                         }
841                 }
842         }
843
844         if decIfPositive(&c.dedicatedMarkWorkersNeeded) {
845                 // This P is now dedicated to marking until the end of
846                 // the concurrent mark phase.
847                 _p_.gcMarkWorkerMode = gcMarkWorkerDedicatedMode
848         } else if c.fractionalUtilizationGoal == 0 {
849                 // No need for fractional workers.
850                 gcBgMarkWorkerPool.push(&node.node)
851                 return nil
852         } else {
853                 // Is this P behind on the fractional utilization
854                 // goal?
855                 //
856                 // This should be kept in sync with pollFractionalWorkerExit.
857                 delta := now - c.markStartTime
858                 if delta > 0 && float64(_p_.gcFractionalMarkTime)/float64(delta) > c.fractionalUtilizationGoal {
859                         // Nope. No need to run a fractional worker.
860                         gcBgMarkWorkerPool.push(&node.node)
861                         return nil
862                 }
863                 // Run a fractional worker.
864                 _p_.gcMarkWorkerMode = gcMarkWorkerFractionalMode
865         }
866
867         // Run the background mark worker.
868         gp := node.gp.ptr()
869         casgstatus(gp, _Gwaiting, _Grunnable)
870         if trace.enabled {
871                 traceGoUnpark(gp, 0)
872         }
873         return gp
874 }
875
876 // resetLive sets up the controller state for the next mark phase after the end
877 // of the previous one. Must be called after endCycle and before commit, before
878 // the world is started.
879 //
880 // The world must be stopped.
881 func (c *gcControllerState) resetLive(bytesMarked uint64) {
882         c.heapMarked = bytesMarked
883         c.heapLive = bytesMarked
884         c.heapScan = uint64(c.heapScanWork.Load())
885         c.lastHeapScan = uint64(c.heapScanWork.Load())
886         c.lastStackScan = uint64(c.stackScanWork.Load())
887         c.triggered = ^uint64(0) // Reset triggered.
888
889         // heapLive was updated, so emit a trace event.
890         if trace.enabled {
891                 traceHeapAlloc()
892         }
893 }
894
895 // markWorkerStop must be called whenever a mark worker stops executing.
896 //
897 // It updates mark work accounting in the controller by a duration of
898 // work in nanoseconds and other bookkeeping.
899 //
900 // Safe to execute at any time.
901 func (c *gcControllerState) markWorkerStop(mode gcMarkWorkerMode, duration int64) {
902         switch mode {
903         case gcMarkWorkerDedicatedMode:
904                 atomic.Xaddint64(&c.dedicatedMarkTime, duration)
905                 atomic.Xaddint64(&c.dedicatedMarkWorkersNeeded, 1)
906         case gcMarkWorkerFractionalMode:
907                 atomic.Xaddint64(&c.fractionalMarkTime, duration)
908         case gcMarkWorkerIdleMode:
909                 atomic.Xaddint64(&c.idleMarkTime, duration)
910                 c.removeIdleMarkWorker()
911         default:
912                 throw("markWorkerStop: unknown mark worker mode")
913         }
914 }
915
916 func (c *gcControllerState) update(dHeapLive, dHeapScan int64) {
917         if dHeapLive != 0 {
918                 atomic.Xadd64(&gcController.heapLive, dHeapLive)
919                 if trace.enabled {
920                         // gcController.heapLive changed.
921                         traceHeapAlloc()
922                 }
923         }
924         if gcBlackenEnabled == 0 {
925                 // Update heapScan when we're not in a current GC. It is fixed
926                 // at the beginning of a cycle.
927                 if dHeapScan != 0 {
928                         atomic.Xadd64(&gcController.heapScan, dHeapScan)
929                 }
930         } else {
931                 // gcController.heapLive changed.
932                 c.revise()
933         }
934 }
935
936 func (c *gcControllerState) addScannableStack(pp *p, amount int64) {
937         if pp == nil {
938                 atomic.Xadd64(&c.maxStackScan, amount)
939                 return
940         }
941         pp.maxStackScanDelta += amount
942         if pp.maxStackScanDelta >= maxStackScanSlack || pp.maxStackScanDelta <= -maxStackScanSlack {
943                 atomic.Xadd64(&c.maxStackScan, pp.maxStackScanDelta)
944                 pp.maxStackScanDelta = 0
945         }
946 }
947
948 func (c *gcControllerState) addGlobals(amount int64) {
949         atomic.Xadd64(&c.globalsScan, amount)
950 }
951
952 // heapGoal returns the current heap goal.
953 func (c *gcControllerState) heapGoal() uint64 {
954         goal, _ := c.heapGoalInternal()
955         return goal
956 }
957
958 // heapGoalInternal is the implementation of heapGoal which returns additional
959 // information that is necessary for computing the trigger.
960 //
961 // The returned minTrigger is always <= goal.
962 func (c *gcControllerState) heapGoalInternal() (goal, minTrigger uint64) {
963         // Start with the goal calculated for gcPercent.
964         goal = c.gcPercentHeapGoal.Load()
965
966         // Check if the memory-limit-based goal is smaller, and if so, pick that.
967         if newGoal := c.memoryLimitHeapGoal(); go119MemoryLimitSupport && newGoal < goal {
968                 goal = newGoal
969         } else {
970                 // We're not limited by the memory limit goal, so perform a series of
971                 // adjustments that might move the goal forward in a variety of circumstances.
972
973                 sweepDistTrigger := c.sweepDistMinTrigger.Load()
974                 if sweepDistTrigger > goal {
975                         // Set the goal to maintain a minimum sweep distance since
976                         // the last call to commit. Note that we never want to do this
977                         // if we're in the memory limit regime, because it could push
978                         // the goal up.
979                         goal = sweepDistTrigger
980                 }
981                 // Since we ignore the sweep distance trigger in the memory
982                 // limit regime, we need to ensure we don't propagate it to
983                 // the trigger, because it could cause a violation of the
984                 // invariant that the trigger < goal.
985                 minTrigger = sweepDistTrigger
986
987                 // Ensure that the heap goal is at least a little larger than
988                 // the point at which we triggered. This may not be the case if GC
989                 // start is delayed or if the allocation that pushed gcController.heapLive
990                 // over trigger is large or if the trigger is really close to
991                 // GOGC. Assist is proportional to this distance, so enforce a
992                 // minimum distance, even if it means going over the GOGC goal
993                 // by a tiny bit.
994                 //
995                 // Ignore this if we're in the memory limit regime: we'd prefer to
996                 // have the GC respond hard about how close we are to the goal than to
997                 // push the goal back in such a manner that it could cause us to exceed
998                 // the memory limit.
999                 const minRunway = 64 << 10
1000                 if c.triggered != ^uint64(0) && goal < c.triggered+minRunway {
1001                         goal = c.triggered + minRunway
1002                 }
1003         }
1004         return
1005 }
1006
1007 // memoryLimitHeapGoal returns a heap goal derived from memoryLimit.
1008 func (c *gcControllerState) memoryLimitHeapGoal() uint64 {
1009         // Start by pulling out some values we'll need. Be careful about overflow.
1010         var heapFree, heapAlloc, mappedReady uint64
1011         for {
1012                 heapFree = c.heapFree.load()                         // Free and unscavenged memory.
1013                 heapAlloc = c.totalAlloc.Load() - c.totalFree.Load() // Heap object bytes in use.
1014                 mappedReady = c.mappedReady.Load()                   // Total unreleased mapped memory.
1015                 if heapFree+heapAlloc <= mappedReady {
1016                         break
1017                 }
1018                 // It is impossible for total unreleased mapped memory to exceed heap memory, but
1019                 // because these stats are updated independently, we may observe a partial update
1020                 // including only some values. Thus, we appear to break the invariant. However,
1021                 // this condition is necessarily transient, so just try again. In the case of a
1022                 // persistent accounting error, we'll deadlock here.
1023         }
1024
1025         // Below we compute a goal from memoryLimit. There are a few things to be aware of.
1026         // Firstly, the memoryLimit does not easily compare to the heap goal: the former
1027         // is total mapped memory by the runtime that hasn't been released, while the latter is
1028         // only heap object memory. Intuitively, the way we convert from one to the other is to
1029         // subtract everything from memoryLimit that both contributes to the memory limit (so,
1030         // ignore scavenged memory) and doesn't contain heap objects. This isn't quite what
1031         // lines up with reality, but it's a good starting point.
1032         //
1033         // In practice this computation looks like the following:
1034         //
1035         //    memoryLimit - ((mappedReady - heapFree - heapAlloc) + max(mappedReady - memoryLimit, 0)) - memoryLimitHeapGoalHeadroom
1036         //                    ^1                                    ^2                                   ^3
1037         //
1038         // Let's break this down.
1039         //
1040         // The first term (marker 1) is everything that contributes to the memory limit and isn't
1041         // or couldn't become heap objects. It represents, broadly speaking, non-heap overheads.
1042         // One oddity you may have noticed is that we also subtract out heapFree, i.e. unscavenged
1043         // memory that may contain heap objects in the future.
1044         //
1045         // Let's take a step back. In an ideal world, this term would look something like just
1046         // the heap goal. That is, we "reserve" enough space for the heap to grow to the heap
1047         // goal, and subtract out everything else. This is of course impossible; the definition
1048         // is circular! However, this impossible definition contains a key insight: the amount
1049         // we're *going* to use matters just as much as whatever we're currently using.
1050         //
1051         // Consider if the heap shrinks to 1/10th its size, leaving behind lots of free and
1052         // unscavenged memory. mappedReady - heapAlloc will be quite large, because of that free
1053         // and unscavenged memory, pushing the goal down significantly.
1054         //
1055         // heapFree is also safe to exclude from the memory limit because in the steady-state, it's
1056         // just a pool of memory for future heap allocations, and making new allocations from heapFree
1057         // memory doesn't increase overall memory use. In transient states, the scavenger and the
1058         // allocator actively manage the pool of heapFree memory to maintain the memory limit.
1059         //
1060         // The second term (marker 2) is the amount of memory we've exceeded the limit by, and is
1061         // intended to help recover from such a situation. By pushing the heap goal down, we also
1062         // push the trigger down, triggering and finishing a GC sooner in order to make room for
1063         // other memory sources. Note that since we're effectively reducing the heap goal by X bytes,
1064         // we're actually giving more than X bytes of headroom back, because the heap goal is in
1065         // terms of heap objects, but it takes more than X bytes (e.g. due to fragmentation) to store
1066         // X bytes worth of objects.
1067         //
1068         // The third term (marker 3) subtracts an additional memoryLimitHeapGoalHeadroom bytes from the
1069         // heap goal. As the name implies, this is to provide additional headroom in the face of pacing
1070         // inaccuracies. This is a fixed number of bytes because these inaccuracies disproportionately
1071         // affect small heaps: as heaps get smaller, the pacer's inputs get fuzzier. Shorter GC cycles
1072         // and less GC work means noisy external factors like the OS scheduler have a greater impact.
1073
1074         memoryLimit := uint64(c.memoryLimit.Load())
1075
1076         // Compute term 1.
1077         nonHeapMemory := mappedReady - heapFree - heapAlloc
1078
1079         // Compute term 2.
1080         var overage uint64
1081         if mappedReady > memoryLimit {
1082                 overage = mappedReady - memoryLimit
1083         }
1084
1085         if nonHeapMemory+overage >= memoryLimit {
1086                 // We're at a point where non-heap memory exceeds the memory limit on its own.
1087                 // There's honestly not much we can do here but just trigger GCs continuously
1088                 // and let the CPU limiter reign that in. Something has to give at this point.
1089                 // Set it to heapMarked, the lowest possible goal.
1090                 return c.heapMarked
1091         }
1092
1093         // Compute the goal.
1094         goal := memoryLimit - (nonHeapMemory + overage)
1095
1096         // Apply some headroom to the goal to account for pacing inaccuracies.
1097         // Be careful about small limits.
1098         if goal < memoryLimitHeapGoalHeadroom || goal-memoryLimitHeapGoalHeadroom < memoryLimitHeapGoalHeadroom {
1099                 goal = memoryLimitHeapGoalHeadroom
1100         } else {
1101                 goal = goal - memoryLimitHeapGoalHeadroom
1102         }
1103         // Don't let us go below the live heap. A heap goal below the live heap doesn't make sense.
1104         if goal < c.heapMarked {
1105                 goal = c.heapMarked
1106         }
1107         return goal
1108 }
1109
1110 const (
1111         // These constants determine the bounds on the GC trigger as a fraction
1112         // of heap bytes allocated between the start of a GC (heapLive == heapMarked)
1113         // and the end of a GC (heapLive == heapGoal).
1114         //
1115         // The constants are obscured in this way for efficiency. The denominator
1116         // of the fraction is always a power-of-two for a quick division, so that
1117         // the numerator is a single constant integer multiplication.
1118         triggerRatioDen = 64
1119
1120         // The minimum trigger constant was chosen empirically: given a sufficiently
1121         // fast/scalable allocator with 48 Ps that could drive the trigger ratio
1122         // to <0.05, this constant causes applications to retain the same peak
1123         // RSS compared to not having this allocator.
1124         minTriggerRatioNum = 45 // ~0.7
1125
1126         // The maximum trigger constant is chosen somewhat arbitrarily, but the
1127         // current constant has served us well over the years.
1128         maxTriggerRatioNum = 61 // ~0.95
1129 )
1130
1131 // trigger returns the current point at which a GC should trigger along with
1132 // the heap goal.
1133 //
1134 // The returned value may be compared against heapLive to determine whether
1135 // the GC should trigger. Thus, the GC trigger condition should be (but may
1136 // not be, in the case of small movements for efficiency) checked whenever
1137 // the heap goal may change.
1138 func (c *gcControllerState) trigger() (uint64, uint64) {
1139         goal, minTrigger := c.heapGoalInternal()
1140
1141         // Invariant: the trigger must always be less than the heap goal.
1142         //
1143         // Note that the memory limit sets a hard maximum on our heap goal,
1144         // but the live heap may grow beyond it.
1145
1146         if c.heapMarked >= goal {
1147                 // The goal should never be smaller than heapMarked, but let's be
1148                 // defensive about it. The only reasonable trigger here is one that
1149                 // causes a continuous GC cycle at heapMarked, but respect the goal
1150                 // if it came out as smaller than that.
1151                 return goal, goal
1152         }
1153
1154         // Below this point, c.heapMarked < goal.
1155
1156         // heapMarked is our absolute minimum, and it's possible the trigger
1157         // bound we get from heapGoalinternal is less than that.
1158         if minTrigger < c.heapMarked {
1159                 minTrigger = c.heapMarked
1160         }
1161
1162         // If we let the trigger go too low, then if the application
1163         // is allocating very rapidly we might end up in a situation
1164         // where we're allocating black during a nearly always-on GC.
1165         // The result of this is a growing heap and ultimately an
1166         // increase in RSS. By capping us at a point >0, we're essentially
1167         // saying that we're OK using more CPU during the GC to prevent
1168         // this growth in RSS.
1169         triggerLowerBound := uint64(((goal-c.heapMarked)/triggerRatioDen)*minTriggerRatioNum) + c.heapMarked
1170         if minTrigger < triggerLowerBound {
1171                 minTrigger = triggerLowerBound
1172         }
1173
1174         // For small heaps, set the max trigger point at maxTriggerRatio of the way
1175         // from the live heap to the heap goal. This ensures we always have *some*
1176         // headroom when the GC actually starts. For larger heaps, set the max trigger
1177         // point at the goal, minus the minimum heap size.
1178         //
1179         // This choice follows from the fact that the minimum heap size is chosen
1180         // to reflect the costs of a GC with no work to do. With a large heap but
1181         // very little scan work to perform, this gives us exactly as much runway
1182         // as we would need, in the worst case.
1183         maxTrigger := uint64(((goal-c.heapMarked)/triggerRatioDen)*maxTriggerRatioNum) + c.heapMarked
1184         if goal > defaultHeapMinimum && goal-defaultHeapMinimum > maxTrigger {
1185                 maxTrigger = goal - defaultHeapMinimum
1186         }
1187         if maxTrigger < minTrigger {
1188                 maxTrigger = minTrigger
1189         }
1190
1191         // Compute the trigger from our bounds and the runway stored by commit.
1192         var trigger uint64
1193         runway := c.runway.Load()
1194         if runway > goal {
1195                 trigger = minTrigger
1196         } else {
1197                 trigger = goal - runway
1198         }
1199         if trigger < minTrigger {
1200                 trigger = minTrigger
1201         }
1202         if trigger > maxTrigger {
1203                 trigger = maxTrigger
1204         }
1205         if trigger > goal {
1206                 print("trigger=", trigger, " heapGoal=", goal, "\n")
1207                 print("minTrigger=", minTrigger, " maxTrigger=", maxTrigger, "\n")
1208                 throw("produced a trigger greater than the heap goal")
1209         }
1210         return trigger, goal
1211 }
1212
1213 // commit recomputes all pacing parameters needed to derive the
1214 // trigger and the heap goal. Namely, the gcPercent-based heap goal,
1215 // and the amount of runway we want to give the GC this cycle.
1216 //
1217 // This can be called any time. If GC is the in the middle of a
1218 // concurrent phase, it will adjust the pacing of that phase.
1219 //
1220 // isSweepDone should be the result of calling isSweepDone(),
1221 // unless we're testing or we know we're executing during a GC cycle.
1222 //
1223 // This depends on gcPercent, gcController.heapMarked, and
1224 // gcController.heapLive. These must be up to date.
1225 //
1226 // Callers must call gcControllerState.revise after calling this
1227 // function if the GC is enabled.
1228 //
1229 // mheap_.lock must be held or the world must be stopped.
1230 func (c *gcControllerState) commit(isSweepDone bool) {
1231         if !c.test {
1232                 assertWorldStoppedOrLockHeld(&mheap_.lock)
1233         }
1234
1235         if isSweepDone {
1236                 // The sweep is done, so there aren't any restrictions on the trigger
1237                 // we need to think about.
1238                 c.sweepDistMinTrigger.Store(0)
1239         } else {
1240                 // Concurrent sweep happens in the heap growth
1241                 // from gcController.heapLive to trigger. Make sure we
1242                 // give the sweeper some runway if it doesn't have enough.
1243                 c.sweepDistMinTrigger.Store(atomic.Load64(&c.heapLive) + sweepMinHeapDistance)
1244         }
1245
1246         // Compute the next GC goal, which is when the allocated heap
1247         // has grown by GOGC/100 over where it started the last cycle,
1248         // plus additional runway for non-heap sources of GC work.
1249         gcPercentHeapGoal := ^uint64(0)
1250         if gcPercent := c.gcPercent.Load(); gcPercent >= 0 {
1251                 gcPercentHeapGoal = c.heapMarked + (c.heapMarked+atomic.Load64(&c.lastStackScan)+atomic.Load64(&c.globalsScan))*uint64(gcPercent)/100
1252         }
1253         // Apply the minimum heap size here. It's defined in terms of gcPercent
1254         // and is only updated by functions that call commit.
1255         if gcPercentHeapGoal < c.heapMinimum {
1256                 gcPercentHeapGoal = c.heapMinimum
1257         }
1258         c.gcPercentHeapGoal.Store(gcPercentHeapGoal)
1259
1260         // Compute the amount of runway we want the GC to have by using our
1261         // estimate of the cons/mark ratio.
1262         //
1263         // The idea is to take our expected scan work, and multiply it by
1264         // the cons/mark ratio to determine how long it'll take to complete
1265         // that scan work in terms of bytes allocated. This gives us our GC's
1266         // runway.
1267         //
1268         // However, the cons/mark ratio is a ratio of rates per CPU-second, but
1269         // here we care about the relative rates for some division of CPU
1270         // resources among the mutator and the GC.
1271         //
1272         // To summarize, we have B / cpu-ns, and we want B / ns. We get that
1273         // by multiplying by our desired division of CPU resources. We choose
1274         // to express CPU resources as GOMAPROCS*fraction. Note that because
1275         // we're working with a ratio here, we can omit the number of CPU cores,
1276         // because they'll appear in the numerator and denominator and cancel out.
1277         // As a result, this is basically just "weighing" the cons/mark ratio by
1278         // our desired division of resources.
1279         //
1280         // Furthermore, by setting the runway so that CPU resources are divided
1281         // this way, assuming that the cons/mark ratio is correct, we make that
1282         // division a reality.
1283         c.runway.Store(uint64((c.consMark * (1 - gcGoalUtilization) / (gcGoalUtilization)) * float64(c.lastHeapScan+c.lastStackScan+c.globalsScan)))
1284 }
1285
1286 // setGCPercent updates gcPercent. commit must be called after.
1287 // Returns the old value of gcPercent.
1288 //
1289 // The world must be stopped, or mheap_.lock must be held.
1290 func (c *gcControllerState) setGCPercent(in int32) int32 {
1291         if !c.test {
1292                 assertWorldStoppedOrLockHeld(&mheap_.lock)
1293         }
1294
1295         out := c.gcPercent.Load()
1296         if in < 0 {
1297                 in = -1
1298         }
1299         c.heapMinimum = defaultHeapMinimum * uint64(in) / 100
1300         c.gcPercent.Store(in)
1301
1302         return out
1303 }
1304
1305 //go:linkname setGCPercent runtime/debug.setGCPercent
1306 func setGCPercent(in int32) (out int32) {
1307         // Run on the system stack since we grab the heap lock.
1308         systemstack(func() {
1309                 lock(&mheap_.lock)
1310                 out = gcController.setGCPercent(in)
1311                 gcControllerCommit()
1312                 unlock(&mheap_.lock)
1313         })
1314
1315         // If we just disabled GC, wait for any concurrent GC mark to
1316         // finish so we always return with no GC running.
1317         if in < 0 {
1318                 gcWaitOnMark(atomic.Load(&work.cycles))
1319         }
1320
1321         return out
1322 }
1323
1324 func readGOGC() int32 {
1325         p := gogetenv("GOGC")
1326         if p == "off" {
1327                 return -1
1328         }
1329         if n, ok := atoi32(p); ok {
1330                 return n
1331         }
1332         return 100
1333 }
1334
1335 // setMemoryLimit updates memoryLimit. commit must be called after
1336 // Returns the old value of memoryLimit.
1337 //
1338 // The world must be stopped, or mheap_.lock must be held.
1339 func (c *gcControllerState) setMemoryLimit(in int64) int64 {
1340         if !c.test {
1341                 assertWorldStoppedOrLockHeld(&mheap_.lock)
1342         }
1343
1344         out := c.memoryLimit.Load()
1345         if in >= 0 {
1346                 c.memoryLimit.Store(in)
1347         }
1348
1349         return out
1350 }
1351
1352 //go:linkname setMemoryLimit runtime/debug.setMemoryLimit
1353 func setMemoryLimit(in int64) (out int64) {
1354         // Run on the system stack since we grab the heap lock.
1355         systemstack(func() {
1356                 lock(&mheap_.lock)
1357                 out = gcController.setMemoryLimit(in)
1358                 if in < 0 || out == in {
1359                         // If we're just checking the value or not changing
1360                         // it, there's no point in doing the rest.
1361                         unlock(&mheap_.lock)
1362                         return
1363                 }
1364                 gcControllerCommit()
1365                 unlock(&mheap_.lock)
1366         })
1367         return out
1368 }
1369
1370 func readGOMEMLIMIT() int64 {
1371         p := gogetenv("GOMEMLIMIT")
1372         if p == "" || p == "off" {
1373                 return maxInt64
1374         }
1375         n, ok := parseByteCount(p)
1376         if !ok {
1377                 print("GOMEMLIMIT=", p, "\n")
1378                 throw("malformed GOMEMLIMIT; see `go doc runtime/debug.SetMemoryLimit`")
1379         }
1380         return n
1381 }
1382
1383 type piController struct {
1384         kp float64 // Proportional constant.
1385         ti float64 // Integral time constant.
1386         tt float64 // Reset time.
1387
1388         min, max float64 // Output boundaries.
1389
1390         // PI controller state.
1391
1392         errIntegral float64 // Integral of the error from t=0 to now.
1393
1394         // Error flags.
1395         errOverflow   bool // Set if errIntegral ever overflowed.
1396         inputOverflow bool // Set if an operation with the input overflowed.
1397 }
1398
1399 // next provides a new sample to the controller.
1400 //
1401 // input is the sample, setpoint is the desired point, and period is how much
1402 // time (in whatever unit makes the most sense) has passed since the last sample.
1403 //
1404 // Returns a new value for the variable it's controlling, and whether the operation
1405 // completed successfully. One reason this might fail is if error has been growing
1406 // in an unbounded manner, to the point of overflow.
1407 //
1408 // In the specific case of an error overflow occurs, the errOverflow field will be
1409 // set and the rest of the controller's internal state will be fully reset.
1410 func (c *piController) next(input, setpoint, period float64) (float64, bool) {
1411         // Compute the raw output value.
1412         prop := c.kp * (setpoint - input)
1413         rawOutput := prop + c.errIntegral
1414
1415         // Clamp rawOutput into output.
1416         output := rawOutput
1417         if isInf(output) || isNaN(output) {
1418                 // The input had a large enough magnitude that either it was already
1419                 // overflowed, or some operation with it overflowed.
1420                 // Set a flag and reset. That's the safest thing to do.
1421                 c.reset()
1422                 c.inputOverflow = true
1423                 return c.min, false
1424         }
1425         if output < c.min {
1426                 output = c.min
1427         } else if output > c.max {
1428                 output = c.max
1429         }
1430
1431         // Update the controller's state.
1432         if c.ti != 0 && c.tt != 0 {
1433                 c.errIntegral += (c.kp*period/c.ti)*(setpoint-input) + (period/c.tt)*(output-rawOutput)
1434                 if isInf(c.errIntegral) || isNaN(c.errIntegral) {
1435                         // So much error has accumulated that we managed to overflow.
1436                         // The assumptions around the controller have likely broken down.
1437                         // Set a flag and reset. That's the safest thing to do.
1438                         c.reset()
1439                         c.errOverflow = true
1440                         return c.min, false
1441                 }
1442         }
1443         return output, true
1444 }
1445
1446 // reset resets the controller state, except for controller error flags.
1447 func (c *piController) reset() {
1448         c.errIntegral = 0
1449 }
1450
1451 // addIdleMarkWorker attempts to add a new idle mark worker.
1452 //
1453 // If this returns true, the caller must become an idle mark worker unless
1454 // there's no background mark worker goroutines in the pool. This case is
1455 // harmless because there are already background mark workers running.
1456 // If this returns false, the caller must NOT become an idle mark worker.
1457 //
1458 // nosplit because it may be called without a P.
1459 //go:nosplit
1460 func (c *gcControllerState) addIdleMarkWorker() bool {
1461         for {
1462                 old := c.idleMarkWorkers.Load()
1463                 n, max := int32(old&uint64(^uint32(0))), int32(old>>32)
1464                 if n >= max {
1465                         // See the comment on idleMarkWorkers for why
1466                         // n > max is tolerated.
1467                         return false
1468                 }
1469                 if n < 0 {
1470                         print("n=", n, " max=", max, "\n")
1471                         throw("negative idle mark workers")
1472                 }
1473                 new := uint64(uint32(n+1)) | (uint64(max) << 32)
1474                 if c.idleMarkWorkers.CompareAndSwap(old, new) {
1475                         return true
1476                 }
1477         }
1478 }
1479
1480 // needIdleMarkWorker is a hint as to whether another idle mark worker is needed.
1481 //
1482 // The caller must still call addIdleMarkWorker to become one. This is mainly
1483 // useful for a quick check before an expensive operation.
1484 //
1485 // nosplit because it may be called without a P.
1486 //go:nosplit
1487 func (c *gcControllerState) needIdleMarkWorker() bool {
1488         p := c.idleMarkWorkers.Load()
1489         n, max := int32(p&uint64(^uint32(0))), int32(p>>32)
1490         return n < max
1491 }
1492
1493 // removeIdleMarkWorker must be called when an new idle mark worker stops executing.
1494 func (c *gcControllerState) removeIdleMarkWorker() {
1495         for {
1496                 old := c.idleMarkWorkers.Load()
1497                 n, max := int32(old&uint64(^uint32(0))), int32(old>>32)
1498                 if n-1 < 0 {
1499                         print("n=", n, " max=", max, "\n")
1500                         throw("negative idle mark workers")
1501                 }
1502                 new := uint64(uint32(n-1)) | (uint64(max) << 32)
1503                 if c.idleMarkWorkers.CompareAndSwap(old, new) {
1504                         return
1505                 }
1506         }
1507 }
1508
1509 // setMaxIdleMarkWorkers sets the maximum number of idle mark workers allowed.
1510 //
1511 // This method is optimistic in that it does not wait for the number of
1512 // idle mark workers to reduce to max before returning; it assumes the workers
1513 // will deschedule themselves.
1514 func (c *gcControllerState) setMaxIdleMarkWorkers(max int32) {
1515         for {
1516                 old := c.idleMarkWorkers.Load()
1517                 n := int32(old & uint64(^uint32(0)))
1518                 if n < 0 {
1519                         print("n=", n, " max=", max, "\n")
1520                         throw("negative idle mark workers")
1521                 }
1522                 new := uint64(uint32(n)) | (uint64(max) << 32)
1523                 if c.idleMarkWorkers.CompareAndSwap(old, new) {
1524                         return
1525                 }
1526         }
1527 }
1528
1529 // gcControllerCommit is gcController.commit, but passes arguments from live
1530 // (non-test) data. It also updates any consumers of the GC pacing, such as
1531 // sweep pacing and the background scavenger.
1532 //
1533 // Calls gcController.commit.
1534 //
1535 // The heap lock must be held, so this must be executed on the system stack.
1536 //
1537 //go:systemstack
1538 func gcControllerCommit() {
1539         assertWorldStoppedOrLockHeld(&mheap_.lock)
1540
1541         gcController.commit(isSweepDone())
1542
1543         // Update mark pacing.
1544         if gcphase != _GCoff {
1545                 gcController.revise()
1546         }
1547
1548         // TODO(mknyszek): This isn't really accurate any longer because the heap
1549         // goal is computed dynamically. Still useful to snapshot, but not as useful.
1550         if trace.enabled {
1551                 traceHeapGoal()
1552         }
1553
1554         trigger, heapGoal := gcController.trigger()
1555         gcPaceSweeper(trigger)
1556         gcPaceScavenger(gcController.memoryLimit.Load(), heapGoal, gcController.lastHeapGoal)
1557 }