]> Cypherpunks.ru repositories - gostls13.git/blob - src/runtime/mgcpacer.go
runtime: convert gcController.heapScan to atomic type
[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" // for go:linkname
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 // gcController implements the GC pacing controller that determines
78 // when to trigger concurrent garbage collection and how much marking
79 // work to do in mutator assists and background marking.
80 //
81 // It calculates the ratio between the allocation rate (in terms of CPU
82 // time) and the GC scan throughput to determine the heap size at which to
83 // trigger a GC cycle such that no GC assists are required to finish on time.
84 // This algorithm thus optimizes GC CPU utilization to the dedicated background
85 // mark utilization of 25% of GOMAXPROCS by minimizing GC assists.
86 // GOMAXPROCS. The high-level design of this algorithm is documented
87 // at https://github.com/golang/proposal/blob/master/design/44167-gc-pacer-redesign.md.
88 // See https://golang.org/s/go15gcpacing for additional historical context.
89 var gcController gcControllerState
90
91 type gcControllerState struct {
92         // Initialized from GOGC. GOGC=off means no GC.
93         gcPercent atomic.Int32
94
95         _ uint32 // padding so following 64-bit values are 8-byte aligned
96
97         // memoryLimit is the soft memory limit in bytes.
98         //
99         // Initialized from GOMEMLIMIT. GOMEMLIMIT=off is equivalent to MaxInt64
100         // which means no soft memory limit in practice.
101         //
102         // This is an int64 instead of a uint64 to more easily maintain parity with
103         // the SetMemoryLimit API, which sets a maximum at MaxInt64. This value
104         // should never be negative.
105         memoryLimit atomic.Int64
106
107         // heapMinimum is the minimum heap size at which to trigger GC.
108         // For small heaps, this overrides the usual GOGC*live set rule.
109         //
110         // When there is a very small live set but a lot of allocation, simply
111         // collecting when the heap reaches GOGC*live results in many GC
112         // cycles and high total per-GC overhead. This minimum amortizes this
113         // per-GC overhead while keeping the heap reasonably small.
114         //
115         // During initialization this is set to 4MB*GOGC/100. In the case of
116         // GOGC==0, this will set heapMinimum to 0, resulting in constant
117         // collection even when the heap size is small, which is useful for
118         // debugging.
119         heapMinimum uint64
120
121         // runway is the amount of runway in heap bytes allocated by the
122         // application that we want to give the GC once it starts.
123         //
124         // This is computed from consMark during mark termination.
125         runway atomic.Uint64
126
127         // consMark is the estimated per-CPU consMark ratio for the application.
128         //
129         // It represents the ratio between the application's allocation
130         // rate, as bytes allocated per CPU-time, and the GC's scan rate,
131         // as bytes scanned per CPU-time.
132         // The units of this ratio are (B / cpu-ns) / (B / cpu-ns).
133         //
134         // At a high level, this value is computed as the bytes of memory
135         // allocated (cons) per unit of scan work completed (mark) in a GC
136         // cycle, divided by the CPU time spent on each activity.
137         //
138         // Updated at the end of each GC cycle, in endCycle.
139         consMark float64
140
141         // consMarkController holds the state for the mark-cons ratio
142         // estimation over time.
143         //
144         // Its purpose is to smooth out noisiness in the computation of
145         // consMark; see consMark for details.
146         consMarkController piController
147
148         _ uint32 // Padding for atomics on 32-bit platforms.
149
150         // gcPercentHeapGoal is the goal heapLive for when next GC ends derived
151         // from gcPercent.
152         //
153         // Set to ^uint64(0) if gcPercent is disabled.
154         gcPercentHeapGoal atomic.Uint64
155
156         // sweepDistMinTrigger is the minimum trigger to ensure a minimum
157         // sweep distance.
158         //
159         // This bound is also special because it applies to both the trigger
160         // *and* the goal (all other trigger bounds must be based *on* the goal).
161         //
162         // It is computed ahead of time, at commit time. The theory is that,
163         // absent a sudden change to a parameter like gcPercent, the trigger
164         // will be chosen to always give the sweeper enough headroom. However,
165         // such a change might dramatically and suddenly move up the trigger,
166         // in which case we need to ensure the sweeper still has enough headroom.
167         sweepDistMinTrigger atomic.Uint64
168
169         // triggered is the point at which the current GC cycle actually triggered.
170         // Only valid during the mark phase of a GC cycle, otherwise set to ^uint64(0).
171         //
172         // Updated while the world is stopped.
173         triggered uint64
174
175         // lastHeapGoal is the value of heapGoal at the moment the last GC
176         // ended. Note that this is distinct from the last value heapGoal had,
177         // because it could change if e.g. gcPercent changes.
178         //
179         // Read and written with the world stopped or with mheap_.lock held.
180         lastHeapGoal uint64
181
182         // heapLive is the number of bytes considered live by the GC.
183         // That is: retained by the most recent GC plus allocated
184         // since then. heapLive ≤ memstats.totalAlloc-memstats.totalFree, since
185         // heapAlloc includes unmarked objects that have not yet been swept (and
186         // hence goes up as we allocate and down as we sweep) while heapLive
187         // excludes these objects (and hence only goes up between GCs).
188         //
189         // To reduce contention, this is updated only when obtaining a span
190         // from an mcentral and at this point it counts all of the unallocated
191         // slots in that span (which will be allocated before that mcache
192         // obtains another span from that mcentral). Hence, it slightly
193         // overestimates the "true" live heap size. It's better to overestimate
194         // than to underestimate because 1) this triggers the GC earlier than
195         // necessary rather than potentially too late and 2) this leads to a
196         // conservative GC rate rather than a GC rate that is potentially too
197         // low.
198         //
199         // Whenever this is updated, call traceHeapAlloc() and
200         // this gcControllerState's revise() method.
201         heapLive atomic.Uint64
202
203         // heapScan is the number of bytes of "scannable" heap. This is the
204         // live heap (as counted by heapLive), but omitting no-scan objects and
205         // no-scan tails of objects.
206         //
207         // This value is fixed at the start of a GC cycle. It represents the
208         // maximum scannable heap.
209         heapScan atomic.Uint64
210
211         // lastHeapScan is the number of bytes of heap that were scanned
212         // last GC cycle. It is the same as heapMarked, but only
213         // includes the "scannable" parts of objects.
214         //
215         // Updated when the world is stopped.
216         lastHeapScan uint64
217
218         // lastStackScan is the number of bytes of stack that were scanned
219         // last GC cycle.
220         lastStackScan uint64
221
222         // maxStackScan is the amount of allocated goroutine stack space in
223         // use by goroutines.
224         //
225         // This number tracks allocated goroutine stack space rather than used
226         // goroutine stack space (i.e. what is actually scanned) because used
227         // goroutine stack space is much harder to measure cheaply. By using
228         // allocated space, we make an overestimate; this is OK, it's better
229         // to conservatively overcount than undercount.
230         //
231         // Read and updated atomically.
232         maxStackScan uint64
233
234         // globalsScan is the total amount of global variable space
235         // that is scannable.
236         //
237         // Read and updated atomically.
238         globalsScan uint64
239
240         // heapMarked is the number of bytes marked by the previous
241         // GC. After mark termination, heapLive == heapMarked, but
242         // unlike heapLive, heapMarked does not change until the
243         // next mark termination.
244         heapMarked uint64
245
246         // heapScanWork is the total heap scan work performed this cycle.
247         // stackScanWork is the total stack scan work performed this cycle.
248         // globalsScanWork is the total globals scan work performed this cycle.
249         //
250         // These are updated atomically during the cycle. Updates occur in
251         // bounded batches, since they are both written and read
252         // throughout the cycle. At the end of the cycle, heapScanWork is how
253         // much of the retained heap is scannable.
254         //
255         // Currently these are measured in bytes. For most uses, this is an
256         // opaque unit of work, but for estimation the definition is important.
257         //
258         // Note that stackScanWork includes only stack space scanned, not all
259         // of the allocated stack.
260         heapScanWork    atomic.Int64
261         stackScanWork   atomic.Int64
262         globalsScanWork atomic.Int64
263
264         // bgScanCredit is the scan work credit accumulated by the
265         // concurrent background scan. This credit is accumulated by
266         // the background scan and stolen by mutator assists. This is
267         // updated atomically. Updates occur in bounded batches, since
268         // it is both written and read throughout the cycle.
269         bgScanCredit int64
270
271         // assistTime is the nanoseconds spent in mutator assists
272         // during this cycle. This is updated atomically, and must also
273         // be updated atomically even during a STW, because it is read
274         // by sysmon. Updates occur in bounded batches, since it is both
275         // written and read throughout the cycle.
276         assistTime atomic.Int64
277
278         // dedicatedMarkTime is the nanoseconds spent in dedicated
279         // mark workers during this cycle. This is updated atomically
280         // at the end of the concurrent mark phase.
281         dedicatedMarkTime int64
282
283         // fractionalMarkTime is the nanoseconds spent in the
284         // fractional mark worker during this cycle. This is updated
285         // atomically throughout the cycle and will be up-to-date if
286         // the fractional mark worker is not currently running.
287         fractionalMarkTime int64
288
289         // idleMarkTime is the nanoseconds spent in idle marking
290         // during this cycle. This is updated atomically throughout
291         // the cycle.
292         idleMarkTime int64
293
294         // markStartTime is the absolute start time in nanoseconds
295         // that assists and background mark workers started.
296         markStartTime int64
297
298         // dedicatedMarkWorkersNeeded is the number of dedicated mark
299         // workers that need to be started. This is computed at the
300         // beginning of each cycle and decremented atomically as
301         // dedicated mark workers get started.
302         dedicatedMarkWorkersNeeded int64
303
304         // idleMarkWorkers is two packed int32 values in a single uint64.
305         // These two values are always updated simultaneously.
306         //
307         // The bottom int32 is the current number of idle mark workers executing.
308         //
309         // The top int32 is the maximum number of idle mark workers allowed to
310         // execute concurrently. Normally, this number is just gomaxprocs. However,
311         // during periodic GC cycles it is set to 0 because the system is idle
312         // anyway; there's no need to go full blast on all of GOMAXPROCS.
313         //
314         // The maximum number of idle mark workers is used to prevent new workers
315         // from starting, but it is not a hard maximum. It is possible (but
316         // exceedingly rare) for the current number of idle mark workers to
317         // transiently exceed the maximum. This could happen if the maximum changes
318         // just after a GC ends, and an M with no P.
319         //
320         // Note that if we have no dedicated mark workers, we set this value to
321         // 1 in this case we only have fractional GC workers which aren't scheduled
322         // strictly enough to ensure GC progress. As a result, idle-priority mark
323         // workers are vital to GC progress in these situations.
324         //
325         // For example, consider a situation in which goroutines block on the GC
326         // (such as via runtime.GOMAXPROCS) and only fractional mark workers are
327         // scheduled (e.g. GOMAXPROCS=1). Without idle-priority mark workers, the
328         // last running M might skip scheduling a fractional mark worker if its
329         // utilization goal is met, such that once it goes to sleep (because there's
330         // nothing to do), there will be nothing else to spin up a new M for the
331         // fractional worker in the future, stalling GC progress and causing a
332         // deadlock. However, idle-priority workers will *always* run when there is
333         // nothing left to do, ensuring the GC makes progress.
334         //
335         // See github.com/golang/go/issues/44163 for more details.
336         idleMarkWorkers atomic.Uint64
337
338         // assistWorkPerByte is the ratio of scan work to allocated
339         // bytes that should be performed by mutator assists. This is
340         // computed at the beginning of each cycle and updated every
341         // time heapScan is updated.
342         assistWorkPerByte atomic.Float64
343
344         // assistBytesPerWork is 1/assistWorkPerByte.
345         //
346         // Note that because this is read and written independently
347         // from assistWorkPerByte users may notice a skew between
348         // the two values, and such a state should be safe.
349         assistBytesPerWork atomic.Float64
350
351         // fractionalUtilizationGoal is the fraction of wall clock
352         // time that should be spent in the fractional mark worker on
353         // each P that isn't running a dedicated worker.
354         //
355         // For example, if the utilization goal is 25% and there are
356         // no dedicated workers, this will be 0.25. If the goal is
357         // 25%, there is one dedicated worker, and GOMAXPROCS is 5,
358         // this will be 0.05 to make up the missing 5%.
359         //
360         // If this is zero, no fractional workers are needed.
361         fractionalUtilizationGoal float64
362
363         // These memory stats are effectively duplicates of fields from
364         // memstats.heapStats but are updated atomically or with the world
365         // stopped and don't provide the same consistency guarantees.
366         //
367         // Because the runtime is responsible for managing a memory limit, it's
368         // useful to couple these stats more tightly to the gcController, which
369         // is intimately connected to how that memory limit is maintained.
370         heapInUse    sysMemStat    // bytes in mSpanInUse spans
371         heapReleased sysMemStat    // bytes released to the OS
372         heapFree     sysMemStat    // bytes not in any span, but not released to the OS
373         totalAlloc   atomic.Uint64 // total bytes allocated
374         totalFree    atomic.Uint64 // total bytes freed
375         mappedReady  atomic.Uint64 // total virtual memory in the Ready state (see mem.go).
376
377         // test indicates that this is a test-only copy of gcControllerState.
378         test bool
379
380         _ cpu.CacheLinePad
381 }
382
383 func (c *gcControllerState) init(gcPercent int32, memoryLimit int64) {
384         c.heapMinimum = defaultHeapMinimum
385         c.triggered = ^uint64(0)
386
387         c.consMarkController = piController{
388                 // Tuned first via the Ziegler-Nichols process in simulation,
389                 // then the integral time was manually tuned against real-world
390                 // applications to deal with noisiness in the measured cons/mark
391                 // ratio.
392                 kp: 0.9,
393                 ti: 4.0,
394
395                 // Set a high reset time in GC cycles.
396                 // This is inversely proportional to the rate at which we
397                 // accumulate error from clipping. By making this very high
398                 // we make the accumulation slow. In general, clipping is
399                 // OK in our situation, hence the choice.
400                 //
401                 // Tune this if we get unintended effects from clipping for
402                 // a long time.
403                 tt:  1000,
404                 min: -1000,
405                 max: 1000,
406         }
407
408         c.setGCPercent(gcPercent)
409         c.setMemoryLimit(memoryLimit)
410         c.commit(true) // No sweep phase in the first GC cycle.
411         // N.B. Don't bother calling traceHeapGoal. Tracing is never enabled at
412         // initialization time.
413         // N.B. No need to call revise; there's no GC enabled during
414         // initialization.
415 }
416
417 // startCycle resets the GC controller's state and computes estimates
418 // for a new GC cycle. The caller must hold worldsema and the world
419 // must be stopped.
420 func (c *gcControllerState) startCycle(markStartTime int64, procs int, trigger gcTrigger) {
421         c.heapScanWork.Store(0)
422         c.stackScanWork.Store(0)
423         c.globalsScanWork.Store(0)
424         c.bgScanCredit = 0
425         c.assistTime.Store(0)
426         c.dedicatedMarkTime = 0
427         c.fractionalMarkTime = 0
428         c.idleMarkTime = 0
429         c.markStartTime = markStartTime
430
431         // TODO(mknyszek): This is supposed to be the actual trigger point for the heap, but
432         // causes regressions in memory use. The cause is that the PI controller used to smooth
433         // the cons/mark ratio measurements tends to flail when using the less accurate precomputed
434         // trigger for the cons/mark calculation, and this results in the controller being more
435         // conservative about steady-states it tries to find in the future.
436         //
437         // This conservatism is transient, but these transient states tend to matter for short-lived
438         // programs, especially because the PI controller is overdamped, partially because it is
439         // configured with a relatively large time constant.
440         //
441         // Ultimately, I think this is just two mistakes piled on one another: the choice of a swingy
442         // smoothing function that recalls a fairly long history (due to its overdamped time constant)
443         // coupled with an inaccurate cons/mark calculation. It just so happens this works better
444         // today, and it makes it harder to change things in the future.
445         //
446         // This is described in #53738. Fix this for #53892 by changing back to the actual trigger
447         // point and simplifying the smoothing function.
448         heapTrigger, heapGoal := c.trigger()
449         c.triggered = heapTrigger
450
451         // Compute the background mark utilization goal. In general,
452         // this may not come out exactly. We round the number of
453         // dedicated workers so that the utilization is closest to
454         // 25%. For small GOMAXPROCS, this would introduce too much
455         // error, so we add fractional workers in that case.
456         totalUtilizationGoal := float64(procs) * gcBackgroundUtilization
457         c.dedicatedMarkWorkersNeeded = int64(totalUtilizationGoal + 0.5)
458         utilError := float64(c.dedicatedMarkWorkersNeeded)/totalUtilizationGoal - 1
459         const maxUtilError = 0.3
460         if utilError < -maxUtilError || utilError > maxUtilError {
461                 // Rounding put us more than 30% off our goal. With
462                 // gcBackgroundUtilization of 25%, this happens for
463                 // GOMAXPROCS<=3 or GOMAXPROCS=6. Enable fractional
464                 // workers to compensate.
465                 if float64(c.dedicatedMarkWorkersNeeded) > totalUtilizationGoal {
466                         // Too many dedicated workers.
467                         c.dedicatedMarkWorkersNeeded--
468                 }
469                 c.fractionalUtilizationGoal = (totalUtilizationGoal - float64(c.dedicatedMarkWorkersNeeded)) / float64(procs)
470         } else {
471                 c.fractionalUtilizationGoal = 0
472         }
473
474         // In STW mode, we just want dedicated workers.
475         if debug.gcstoptheworld > 0 {
476                 c.dedicatedMarkWorkersNeeded = int64(procs)
477                 c.fractionalUtilizationGoal = 0
478         }
479
480         // Clear per-P state
481         for _, p := range allp {
482                 p.gcAssistTime = 0
483                 p.gcFractionalMarkTime = 0
484         }
485
486         if trigger.kind == gcTriggerTime {
487                 // During a periodic GC cycle, reduce the number of idle mark workers
488                 // required. However, we need at least one dedicated mark worker or
489                 // idle GC worker to ensure GC progress in some scenarios (see comment
490                 // on maxIdleMarkWorkers).
491                 if c.dedicatedMarkWorkersNeeded > 0 {
492                         c.setMaxIdleMarkWorkers(0)
493                 } else {
494                         // TODO(mknyszek): The fundamental reason why we need this is because
495                         // we can't count on the fractional mark worker to get scheduled.
496                         // Fix that by ensuring it gets scheduled according to its quota even
497                         // if the rest of the application is idle.
498                         c.setMaxIdleMarkWorkers(1)
499                 }
500         } else {
501                 // N.B. gomaxprocs and dedicatedMarkWorkersNeeded is guaranteed not to
502                 // change during a GC cycle.
503                 c.setMaxIdleMarkWorkers(int32(procs) - int32(c.dedicatedMarkWorkersNeeded))
504         }
505
506         // Compute initial values for controls that are updated
507         // throughout the cycle.
508         c.revise()
509
510         if debug.gcpacertrace > 0 {
511                 assistRatio := c.assistWorkPerByte.Load()
512                 print("pacer: assist ratio=", assistRatio,
513                         " (scan ", gcController.heapScan.Load()>>20, " MB in ",
514                         work.initialHeapLive>>20, "->",
515                         heapGoal>>20, " MB)",
516                         " workers=", c.dedicatedMarkWorkersNeeded,
517                         "+", c.fractionalUtilizationGoal, "\n")
518         }
519 }
520
521 // revise updates the assist ratio during the GC cycle to account for
522 // improved estimates. This should be called whenever gcController.heapScan,
523 // gcController.heapLive, or if any inputs to gcController.heapGoal are
524 // updated. It is safe to call concurrently, but it may race with other
525 // calls to revise.
526 //
527 // The result of this race is that the two assist ratio values may not line
528 // up or may be stale. In practice this is OK because the assist ratio
529 // moves slowly throughout a GC cycle, and the assist ratio is a best-effort
530 // heuristic anyway. Furthermore, no part of the heuristic depends on
531 // the two assist ratio values being exact reciprocals of one another, since
532 // the two values are used to convert values from different sources.
533 //
534 // The worst case result of this raciness is that we may miss a larger shift
535 // in the ratio (say, if we decide to pace more aggressively against the
536 // hard heap goal) but even this "hard goal" is best-effort (see #40460).
537 // The dedicated GC should ensure we don't exceed the hard goal by too much
538 // in the rare case we do exceed it.
539 //
540 // It should only be called when gcBlackenEnabled != 0 (because this
541 // is when assists are enabled and the necessary statistics are
542 // available).
543 func (c *gcControllerState) revise() {
544         gcPercent := c.gcPercent.Load()
545         if gcPercent < 0 {
546                 // If GC is disabled but we're running a forced GC,
547                 // act like GOGC is huge for the below calculations.
548                 gcPercent = 100000
549         }
550         live := c.heapLive.Load()
551         scan := c.heapScan.Load()
552         work := c.heapScanWork.Load() + c.stackScanWork.Load() + c.globalsScanWork.Load()
553
554         // Assume we're under the soft goal. Pace GC to complete at
555         // heapGoal assuming the heap is in steady-state.
556         heapGoal := int64(c.heapGoal())
557
558         // The expected scan work is computed as the amount of bytes scanned last
559         // GC cycle (both heap and stack), plus our estimate of globals work for this cycle.
560         scanWorkExpected := int64(c.lastHeapScan + c.lastStackScan + c.globalsScan)
561
562         // maxScanWork is a worst-case estimate of the amount of scan work that
563         // needs to be performed in this GC cycle. Specifically, it represents
564         // the case where *all* scannable memory turns out to be live, and
565         // *all* allocated stack space is scannable.
566         maxStackScan := atomic.Load64(&c.maxStackScan)
567         maxScanWork := int64(scan + maxStackScan + c.globalsScan)
568         if work > scanWorkExpected {
569                 // We've already done more scan work than expected. Because our expectation
570                 // is based on a steady-state scannable heap size, we assume this means our
571                 // heap is growing. Compute a new heap goal that takes our existing runway
572                 // computed for scanWorkExpected and extrapolates it to maxScanWork, the worst-case
573                 // scan work. This keeps our assist ratio stable if the heap continues to grow.
574                 //
575                 // The effect of this mechanism is that assists stay flat in the face of heap
576                 // growths. It's OK to use more memory this cycle to scan all the live heap,
577                 // because the next GC cycle is inevitably going to use *at least* that much
578                 // memory anyway.
579                 extHeapGoal := int64(float64(heapGoal-int64(c.triggered))/float64(scanWorkExpected)*float64(maxScanWork)) + int64(c.triggered)
580                 scanWorkExpected = maxScanWork
581
582                 // hardGoal is a hard limit on the amount that we're willing to push back the
583                 // heap goal, and that's twice the heap goal (i.e. if GOGC=100 and the heap and/or
584                 // stacks and/or globals grow to twice their size, this limits the current GC cycle's
585                 // growth to 4x the original live heap's size).
586                 //
587                 // This maintains the invariant that we use no more memory than the next GC cycle
588                 // will anyway.
589                 hardGoal := int64((1.0 + float64(gcPercent)/100.0) * float64(heapGoal))
590                 if extHeapGoal > hardGoal {
591                         extHeapGoal = hardGoal
592                 }
593                 heapGoal = extHeapGoal
594         }
595         if int64(live) > heapGoal {
596                 // We're already past our heap goal, even the extrapolated one.
597                 // Leave ourselves some extra runway, so in the worst case we
598                 // finish by that point.
599                 const maxOvershoot = 1.1
600                 heapGoal = int64(float64(heapGoal) * maxOvershoot)
601
602                 // Compute the upper bound on the scan work remaining.
603                 scanWorkExpected = maxScanWork
604         }
605
606         // Compute the remaining scan work estimate.
607         //
608         // Note that we currently count allocations during GC as both
609         // scannable heap (heapScan) and scan work completed
610         // (scanWork), so allocation will change this difference
611         // slowly in the soft regime and not at all in the hard
612         // regime.
613         scanWorkRemaining := scanWorkExpected - work
614         if scanWorkRemaining < 1000 {
615                 // We set a somewhat arbitrary lower bound on
616                 // remaining scan work since if we aim a little high,
617                 // we can miss by a little.
618                 //
619                 // We *do* need to enforce that this is at least 1,
620                 // since marking is racy and double-scanning objects
621                 // may legitimately make the remaining scan work
622                 // negative, even in the hard goal regime.
623                 scanWorkRemaining = 1000
624         }
625
626         // Compute the heap distance remaining.
627         heapRemaining := heapGoal - int64(live)
628         if heapRemaining <= 0 {
629                 // This shouldn't happen, but if it does, avoid
630                 // dividing by zero or setting the assist negative.
631                 heapRemaining = 1
632         }
633
634         // Compute the mutator assist ratio so by the time the mutator
635         // allocates the remaining heap bytes up to heapGoal, it will
636         // have done (or stolen) the remaining amount of scan work.
637         // Note that the assist ratio values are updated atomically
638         // but not together. This means there may be some degree of
639         // skew between the two values. This is generally OK as the
640         // values shift relatively slowly over the course of a GC
641         // cycle.
642         assistWorkPerByte := float64(scanWorkRemaining) / float64(heapRemaining)
643         assistBytesPerWork := float64(heapRemaining) / float64(scanWorkRemaining)
644         c.assistWorkPerByte.Store(assistWorkPerByte)
645         c.assistBytesPerWork.Store(assistBytesPerWork)
646 }
647
648 // endCycle computes the consMark estimate for the next cycle.
649 // userForced indicates whether the current GC cycle was forced
650 // by the application.
651 func (c *gcControllerState) endCycle(now int64, procs int, userForced bool) {
652         // Record last heap goal for the scavenger.
653         // We'll be updating the heap goal soon.
654         gcController.lastHeapGoal = c.heapGoal()
655
656         // Compute the duration of time for which assists were turned on.
657         assistDuration := now - c.markStartTime
658
659         // Assume background mark hit its utilization goal.
660         utilization := gcBackgroundUtilization
661         // Add assist utilization; avoid divide by zero.
662         if assistDuration > 0 {
663                 utilization += float64(c.assistTime.Load()) / float64(assistDuration*int64(procs))
664         }
665
666         if c.heapLive.Load() <= c.triggered {
667                 // Shouldn't happen, but let's be very safe about this in case the
668                 // GC is somehow extremely short.
669                 //
670                 // In this case though, the only reasonable value for c.heapLive-c.triggered
671                 // would be 0, which isn't really all that useful, i.e. the GC was so short
672                 // that it didn't matter.
673                 //
674                 // Ignore this case and don't update anything.
675                 return
676         }
677         idleUtilization := 0.0
678         if assistDuration > 0 {
679                 idleUtilization = float64(c.idleMarkTime) / float64(assistDuration*int64(procs))
680         }
681         // Determine the cons/mark ratio.
682         //
683         // The units we want for the numerator and denominator are both B / cpu-ns.
684         // We get this by taking the bytes allocated or scanned, and divide by the amount of
685         // CPU time it took for those operations. For allocations, that CPU time is
686         //
687         //    assistDuration * procs * (1 - utilization)
688         //
689         // Where utilization includes just background GC workers and assists. It does *not*
690         // include idle GC work time, because in theory the mutator is free to take that at
691         // any point.
692         //
693         // For scanning, that CPU time is
694         //
695         //    assistDuration * procs * (utilization + idleUtilization)
696         //
697         // In this case, we *include* idle utilization, because that is additional CPU time that the
698         // the GC had available to it.
699         //
700         // In effect, idle GC time is sort of double-counted here, but it's very weird compared
701         // to other kinds of GC work, because of how fluid it is. Namely, because the mutator is
702         // *always* free to take it.
703         //
704         // So this calculation is really:
705         //     (heapLive-trigger) / (assistDuration * procs * (1-utilization)) /
706         //         (scanWork) / (assistDuration * procs * (utilization+idleUtilization)
707         //
708         // Note that because we only care about the ratio, assistDuration and procs cancel out.
709         scanWork := c.heapScanWork.Load() + c.stackScanWork.Load() + c.globalsScanWork.Load()
710         currentConsMark := (float64(c.heapLive.Load()-c.triggered) * (utilization + idleUtilization)) /
711                 (float64(scanWork) * (1 - utilization))
712
713         // Update cons/mark controller. The time period for this is 1 GC cycle.
714         //
715         // This use of a PI controller might seem strange. So, here's an explanation:
716         //
717         // currentConsMark represents the consMark we *should've* had to be perfectly
718         // on-target for this cycle. Given that we assume the next GC will be like this
719         // one in the steady-state, it stands to reason that we should just pick that
720         // as our next consMark. In practice, however, currentConsMark is too noisy:
721         // we're going to be wildly off-target in each GC cycle if we do that.
722         //
723         // What we do instead is make a long-term assumption: there is some steady-state
724         // consMark value, but it's obscured by noise. By constantly shooting for this
725         // noisy-but-perfect consMark value, the controller will bounce around a bit,
726         // but its average behavior, in aggregate, should be less noisy and closer to
727         // the true long-term consMark value, provided its tuned to be slightly overdamped.
728         var ok bool
729         oldConsMark := c.consMark
730         c.consMark, ok = c.consMarkController.next(c.consMark, currentConsMark, 1.0)
731         if !ok {
732                 // The error spiraled out of control. This is incredibly unlikely seeing
733                 // as this controller is essentially just a smoothing function, but it might
734                 // mean that something went very wrong with how currentConsMark was calculated.
735                 // Just reset consMark and keep going.
736                 c.consMark = 0
737         }
738
739         if debug.gcpacertrace > 0 {
740                 printlock()
741                 goal := gcGoalUtilization * 100
742                 print("pacer: ", int(utilization*100), "% CPU (", int(goal), " exp.) for ")
743                 print(c.heapScanWork.Load(), "+", c.stackScanWork.Load(), "+", c.globalsScanWork.Load(), " B work (", c.lastHeapScan+c.lastStackScan+c.globalsScan, " B exp.) ")
744                 live := c.heapLive.Load()
745                 print("in ", c.triggered, " B -> ", live, " B (∆goal ", int64(live)-int64(c.lastHeapGoal), ", cons/mark ", oldConsMark, ")")
746                 if !ok {
747                         print("[controller reset]")
748                 }
749                 println()
750                 printunlock()
751         }
752 }
753
754 // enlistWorker encourages another dedicated mark worker to start on
755 // another P if there are spare worker slots. It is used by putfull
756 // when more work is made available.
757 //
758 //go:nowritebarrier
759 func (c *gcControllerState) enlistWorker() {
760         // If there are idle Ps, wake one so it will run an idle worker.
761         // NOTE: This is suspected of causing deadlocks. See golang.org/issue/19112.
762         //
763         //      if atomic.Load(&sched.npidle) != 0 && atomic.Load(&sched.nmspinning) == 0 {
764         //              wakep()
765         //              return
766         //      }
767
768         // There are no idle Ps. If we need more dedicated workers,
769         // try to preempt a running P so it will switch to a worker.
770         if c.dedicatedMarkWorkersNeeded <= 0 {
771                 return
772         }
773         // Pick a random other P to preempt.
774         if gomaxprocs <= 1 {
775                 return
776         }
777         gp := getg()
778         if gp == nil || gp.m == nil || gp.m.p == 0 {
779                 return
780         }
781         myID := gp.m.p.ptr().id
782         for tries := 0; tries < 5; tries++ {
783                 id := int32(fastrandn(uint32(gomaxprocs - 1)))
784                 if id >= myID {
785                         id++
786                 }
787                 p := allp[id]
788                 if p.status != _Prunning {
789                         continue
790                 }
791                 if preemptone(p) {
792                         return
793                 }
794         }
795 }
796
797 // findRunnableGCWorker returns a background mark worker for pp if it
798 // should be run. This must only be called when gcBlackenEnabled != 0.
799 func (c *gcControllerState) findRunnableGCWorker(pp *p, now int64) (*g, int64) {
800         if gcBlackenEnabled == 0 {
801                 throw("gcControllerState.findRunnable: blackening not enabled")
802         }
803
804         // Since we have the current time, check if the GC CPU limiter
805         // hasn't had an update in a while. This check is necessary in
806         // case the limiter is on but hasn't been checked in a while and
807         // so may have left sufficient headroom to turn off again.
808         if now == 0 {
809                 now = nanotime()
810         }
811         if gcCPULimiter.needUpdate(now) {
812                 gcCPULimiter.update(now)
813         }
814
815         if !gcMarkWorkAvailable(pp) {
816                 // No work to be done right now. This can happen at
817                 // the end of the mark phase when there are still
818                 // assists tapering off. Don't bother running a worker
819                 // now because it'll just return immediately.
820                 return nil, now
821         }
822
823         // Grab a worker before we commit to running below.
824         node := (*gcBgMarkWorkerNode)(gcBgMarkWorkerPool.pop())
825         if node == nil {
826                 // There is at least one worker per P, so normally there are
827                 // enough workers to run on all Ps, if necessary. However, once
828                 // a worker enters gcMarkDone it may park without rejoining the
829                 // pool, thus freeing a P with no corresponding worker.
830                 // gcMarkDone never depends on another worker doing work, so it
831                 // is safe to simply do nothing here.
832                 //
833                 // If gcMarkDone bails out without completing the mark phase,
834                 // it will always do so with queued global work. Thus, that P
835                 // will be immediately eligible to re-run the worker G it was
836                 // just using, ensuring work can complete.
837                 return nil, now
838         }
839
840         decIfPositive := func(ptr *int64) bool {
841                 for {
842                         v := atomic.Loadint64(ptr)
843                         if v <= 0 {
844                                 return false
845                         }
846
847                         if atomic.Casint64(ptr, v, v-1) {
848                                 return true
849                         }
850                 }
851         }
852
853         if decIfPositive(&c.dedicatedMarkWorkersNeeded) {
854                 // This P is now dedicated to marking until the end of
855                 // the concurrent mark phase.
856                 pp.gcMarkWorkerMode = gcMarkWorkerDedicatedMode
857         } else if c.fractionalUtilizationGoal == 0 {
858                 // No need for fractional workers.
859                 gcBgMarkWorkerPool.push(&node.node)
860                 return nil, now
861         } else {
862                 // Is this P behind on the fractional utilization
863                 // goal?
864                 //
865                 // This should be kept in sync with pollFractionalWorkerExit.
866                 delta := now - c.markStartTime
867                 if delta > 0 && float64(pp.gcFractionalMarkTime)/float64(delta) > c.fractionalUtilizationGoal {
868                         // Nope. No need to run a fractional worker.
869                         gcBgMarkWorkerPool.push(&node.node)
870                         return nil, now
871                 }
872                 // Run a fractional worker.
873                 pp.gcMarkWorkerMode = gcMarkWorkerFractionalMode
874         }
875
876         // Run the background mark worker.
877         gp := node.gp.ptr()
878         casgstatus(gp, _Gwaiting, _Grunnable)
879         if trace.enabled {
880                 traceGoUnpark(gp, 0)
881         }
882         return gp, now
883 }
884
885 // resetLive sets up the controller state for the next mark phase after the end
886 // of the previous one. Must be called after endCycle and before commit, before
887 // the world is started.
888 //
889 // The world must be stopped.
890 func (c *gcControllerState) resetLive(bytesMarked uint64) {
891         c.heapMarked = bytesMarked
892         c.heapLive.Store(bytesMarked)
893         c.heapScan.Store(uint64(c.heapScanWork.Load()))
894         c.lastHeapScan = uint64(c.heapScanWork.Load())
895         c.lastStackScan = uint64(c.stackScanWork.Load())
896         c.triggered = ^uint64(0) // Reset triggered.
897
898         // heapLive was updated, so emit a trace event.
899         if trace.enabled {
900                 traceHeapAlloc(bytesMarked)
901         }
902 }
903
904 // markWorkerStop must be called whenever a mark worker stops executing.
905 //
906 // It updates mark work accounting in the controller by a duration of
907 // work in nanoseconds and other bookkeeping.
908 //
909 // Safe to execute at any time.
910 func (c *gcControllerState) markWorkerStop(mode gcMarkWorkerMode, duration int64) {
911         switch mode {
912         case gcMarkWorkerDedicatedMode:
913                 atomic.Xaddint64(&c.dedicatedMarkTime, duration)
914                 atomic.Xaddint64(&c.dedicatedMarkWorkersNeeded, 1)
915         case gcMarkWorkerFractionalMode:
916                 atomic.Xaddint64(&c.fractionalMarkTime, duration)
917         case gcMarkWorkerIdleMode:
918                 atomic.Xaddint64(&c.idleMarkTime, duration)
919                 c.removeIdleMarkWorker()
920         default:
921                 throw("markWorkerStop: unknown mark worker mode")
922         }
923 }
924
925 func (c *gcControllerState) update(dHeapLive, dHeapScan int64) {
926         if dHeapLive != 0 {
927                 live := gcController.heapLive.Add(dHeapLive)
928                 if trace.enabled {
929                         // gcController.heapLive changed.
930                         traceHeapAlloc(live)
931                 }
932         }
933         if gcBlackenEnabled == 0 {
934                 // Update heapScan when we're not in a current GC. It is fixed
935                 // at the beginning of a cycle.
936                 if dHeapScan != 0 {
937                         gcController.heapScan.Add(dHeapScan)
938                 }
939         } else {
940                 // gcController.heapLive changed.
941                 c.revise()
942         }
943 }
944
945 func (c *gcControllerState) addScannableStack(pp *p, amount int64) {
946         if pp == nil {
947                 atomic.Xadd64(&c.maxStackScan, amount)
948                 return
949         }
950         pp.maxStackScanDelta += amount
951         if pp.maxStackScanDelta >= maxStackScanSlack || pp.maxStackScanDelta <= -maxStackScanSlack {
952                 atomic.Xadd64(&c.maxStackScan, pp.maxStackScanDelta)
953                 pp.maxStackScanDelta = 0
954         }
955 }
956
957 func (c *gcControllerState) addGlobals(amount int64) {
958         atomic.Xadd64(&c.globalsScan, amount)
959 }
960
961 // heapGoal returns the current heap goal.
962 func (c *gcControllerState) heapGoal() uint64 {
963         goal, _ := c.heapGoalInternal()
964         return goal
965 }
966
967 // heapGoalInternal is the implementation of heapGoal which returns additional
968 // information that is necessary for computing the trigger.
969 //
970 // The returned minTrigger is always <= goal.
971 func (c *gcControllerState) heapGoalInternal() (goal, minTrigger uint64) {
972         // Start with the goal calculated for gcPercent.
973         goal = c.gcPercentHeapGoal.Load()
974
975         // Check if the memory-limit-based goal is smaller, and if so, pick that.
976         if newGoal := c.memoryLimitHeapGoal(); go119MemoryLimitSupport && newGoal < goal {
977                 goal = newGoal
978         } else {
979                 // We're not limited by the memory limit goal, so perform a series of
980                 // adjustments that might move the goal forward in a variety of circumstances.
981
982                 sweepDistTrigger := c.sweepDistMinTrigger.Load()
983                 if sweepDistTrigger > goal {
984                         // Set the goal to maintain a minimum sweep distance since
985                         // the last call to commit. Note that we never want to do this
986                         // if we're in the memory limit regime, because it could push
987                         // the goal up.
988                         goal = sweepDistTrigger
989                 }
990                 // Since we ignore the sweep distance trigger in the memory
991                 // limit regime, we need to ensure we don't propagate it to
992                 // the trigger, because it could cause a violation of the
993                 // invariant that the trigger < goal.
994                 minTrigger = sweepDistTrigger
995
996                 // Ensure that the heap goal is at least a little larger than
997                 // the point at which we triggered. This may not be the case if GC
998                 // start is delayed or if the allocation that pushed gcController.heapLive
999                 // over trigger is large or if the trigger is really close to
1000                 // GOGC. Assist is proportional to this distance, so enforce a
1001                 // minimum distance, even if it means going over the GOGC goal
1002                 // by a tiny bit.
1003                 //
1004                 // Ignore this if we're in the memory limit regime: we'd prefer to
1005                 // have the GC respond hard about how close we are to the goal than to
1006                 // push the goal back in such a manner that it could cause us to exceed
1007                 // the memory limit.
1008                 const minRunway = 64 << 10
1009                 if c.triggered != ^uint64(0) && goal < c.triggered+minRunway {
1010                         goal = c.triggered + minRunway
1011                 }
1012         }
1013         return
1014 }
1015
1016 // memoryLimitHeapGoal returns a heap goal derived from memoryLimit.
1017 func (c *gcControllerState) memoryLimitHeapGoal() uint64 {
1018         // Start by pulling out some values we'll need. Be careful about overflow.
1019         var heapFree, heapAlloc, mappedReady uint64
1020         for {
1021                 heapFree = c.heapFree.load()                         // Free and unscavenged memory.
1022                 heapAlloc = c.totalAlloc.Load() - c.totalFree.Load() // Heap object bytes in use.
1023                 mappedReady = c.mappedReady.Load()                   // Total unreleased mapped memory.
1024                 if heapFree+heapAlloc <= mappedReady {
1025                         break
1026                 }
1027                 // It is impossible for total unreleased mapped memory to exceed heap memory, but
1028                 // because these stats are updated independently, we may observe a partial update
1029                 // including only some values. Thus, we appear to break the invariant. However,
1030                 // this condition is necessarily transient, so just try again. In the case of a
1031                 // persistent accounting error, we'll deadlock here.
1032         }
1033
1034         // Below we compute a goal from memoryLimit. There are a few things to be aware of.
1035         // Firstly, the memoryLimit does not easily compare to the heap goal: the former
1036         // is total mapped memory by the runtime that hasn't been released, while the latter is
1037         // only heap object memory. Intuitively, the way we convert from one to the other is to
1038         // subtract everything from memoryLimit that both contributes to the memory limit (so,
1039         // ignore scavenged memory) and doesn't contain heap objects. This isn't quite what
1040         // lines up with reality, but it's a good starting point.
1041         //
1042         // In practice this computation looks like the following:
1043         //
1044         //    memoryLimit - ((mappedReady - heapFree - heapAlloc) + max(mappedReady - memoryLimit, 0)) - memoryLimitHeapGoalHeadroom
1045         //                    ^1                                    ^2                                   ^3
1046         //
1047         // Let's break this down.
1048         //
1049         // The first term (marker 1) is everything that contributes to the memory limit and isn't
1050         // or couldn't become heap objects. It represents, broadly speaking, non-heap overheads.
1051         // One oddity you may have noticed is that we also subtract out heapFree, i.e. unscavenged
1052         // memory that may contain heap objects in the future.
1053         //
1054         // Let's take a step back. In an ideal world, this term would look something like just
1055         // the heap goal. That is, we "reserve" enough space for the heap to grow to the heap
1056         // goal, and subtract out everything else. This is of course impossible; the definition
1057         // is circular! However, this impossible definition contains a key insight: the amount
1058         // we're *going* to use matters just as much as whatever we're currently using.
1059         //
1060         // Consider if the heap shrinks to 1/10th its size, leaving behind lots of free and
1061         // unscavenged memory. mappedReady - heapAlloc will be quite large, because of that free
1062         // and unscavenged memory, pushing the goal down significantly.
1063         //
1064         // heapFree is also safe to exclude from the memory limit because in the steady-state, it's
1065         // just a pool of memory for future heap allocations, and making new allocations from heapFree
1066         // memory doesn't increase overall memory use. In transient states, the scavenger and the
1067         // allocator actively manage the pool of heapFree memory to maintain the memory limit.
1068         //
1069         // The second term (marker 2) is the amount of memory we've exceeded the limit by, and is
1070         // intended to help recover from such a situation. By pushing the heap goal down, we also
1071         // push the trigger down, triggering and finishing a GC sooner in order to make room for
1072         // other memory sources. Note that since we're effectively reducing the heap goal by X bytes,
1073         // we're actually giving more than X bytes of headroom back, because the heap goal is in
1074         // terms of heap objects, but it takes more than X bytes (e.g. due to fragmentation) to store
1075         // X bytes worth of objects.
1076         //
1077         // The third term (marker 3) subtracts an additional memoryLimitHeapGoalHeadroom bytes from the
1078         // heap goal. As the name implies, this is to provide additional headroom in the face of pacing
1079         // inaccuracies. This is a fixed number of bytes because these inaccuracies disproportionately
1080         // affect small heaps: as heaps get smaller, the pacer's inputs get fuzzier. Shorter GC cycles
1081         // and less GC work means noisy external factors like the OS scheduler have a greater impact.
1082
1083         memoryLimit := uint64(c.memoryLimit.Load())
1084
1085         // Compute term 1.
1086         nonHeapMemory := mappedReady - heapFree - heapAlloc
1087
1088         // Compute term 2.
1089         var overage uint64
1090         if mappedReady > memoryLimit {
1091                 overage = mappedReady - memoryLimit
1092         }
1093
1094         if nonHeapMemory+overage >= memoryLimit {
1095                 // We're at a point where non-heap memory exceeds the memory limit on its own.
1096                 // There's honestly not much we can do here but just trigger GCs continuously
1097                 // and let the CPU limiter reign that in. Something has to give at this point.
1098                 // Set it to heapMarked, the lowest possible goal.
1099                 return c.heapMarked
1100         }
1101
1102         // Compute the goal.
1103         goal := memoryLimit - (nonHeapMemory + overage)
1104
1105         // Apply some headroom to the goal to account for pacing inaccuracies.
1106         // Be careful about small limits.
1107         if goal < memoryLimitHeapGoalHeadroom || goal-memoryLimitHeapGoalHeadroom < memoryLimitHeapGoalHeadroom {
1108                 goal = memoryLimitHeapGoalHeadroom
1109         } else {
1110                 goal = goal - memoryLimitHeapGoalHeadroom
1111         }
1112         // Don't let us go below the live heap. A heap goal below the live heap doesn't make sense.
1113         if goal < c.heapMarked {
1114                 goal = c.heapMarked
1115         }
1116         return goal
1117 }
1118
1119 const (
1120         // These constants determine the bounds on the GC trigger as a fraction
1121         // of heap bytes allocated between the start of a GC (heapLive == heapMarked)
1122         // and the end of a GC (heapLive == heapGoal).
1123         //
1124         // The constants are obscured in this way for efficiency. The denominator
1125         // of the fraction is always a power-of-two for a quick division, so that
1126         // the numerator is a single constant integer multiplication.
1127         triggerRatioDen = 64
1128
1129         // The minimum trigger constant was chosen empirically: given a sufficiently
1130         // fast/scalable allocator with 48 Ps that could drive the trigger ratio
1131         // to <0.05, this constant causes applications to retain the same peak
1132         // RSS compared to not having this allocator.
1133         minTriggerRatioNum = 45 // ~0.7
1134
1135         // The maximum trigger constant is chosen somewhat arbitrarily, but the
1136         // current constant has served us well over the years.
1137         maxTriggerRatioNum = 61 // ~0.95
1138 )
1139
1140 // trigger returns the current point at which a GC should trigger along with
1141 // the heap goal.
1142 //
1143 // The returned value may be compared against heapLive to determine whether
1144 // the GC should trigger. Thus, the GC trigger condition should be (but may
1145 // not be, in the case of small movements for efficiency) checked whenever
1146 // the heap goal may change.
1147 func (c *gcControllerState) trigger() (uint64, uint64) {
1148         goal, minTrigger := c.heapGoalInternal()
1149
1150         // Invariant: the trigger must always be less than the heap goal.
1151         //
1152         // Note that the memory limit sets a hard maximum on our heap goal,
1153         // but the live heap may grow beyond it.
1154
1155         if c.heapMarked >= goal {
1156                 // The goal should never be smaller than heapMarked, but let's be
1157                 // defensive about it. The only reasonable trigger here is one that
1158                 // causes a continuous GC cycle at heapMarked, but respect the goal
1159                 // if it came out as smaller than that.
1160                 return goal, goal
1161         }
1162
1163         // Below this point, c.heapMarked < goal.
1164
1165         // heapMarked is our absolute minimum, and it's possible the trigger
1166         // bound we get from heapGoalinternal is less than that.
1167         if minTrigger < c.heapMarked {
1168                 minTrigger = c.heapMarked
1169         }
1170
1171         // If we let the trigger go too low, then if the application
1172         // is allocating very rapidly we might end up in a situation
1173         // where we're allocating black during a nearly always-on GC.
1174         // The result of this is a growing heap and ultimately an
1175         // increase in RSS. By capping us at a point >0, we're essentially
1176         // saying that we're OK using more CPU during the GC to prevent
1177         // this growth in RSS.
1178         triggerLowerBound := uint64(((goal-c.heapMarked)/triggerRatioDen)*minTriggerRatioNum) + c.heapMarked
1179         if minTrigger < triggerLowerBound {
1180                 minTrigger = triggerLowerBound
1181         }
1182
1183         // For small heaps, set the max trigger point at maxTriggerRatio of the way
1184         // from the live heap to the heap goal. This ensures we always have *some*
1185         // headroom when the GC actually starts. For larger heaps, set the max trigger
1186         // point at the goal, minus the minimum heap size.
1187         //
1188         // This choice follows from the fact that the minimum heap size is chosen
1189         // to reflect the costs of a GC with no work to do. With a large heap but
1190         // very little scan work to perform, this gives us exactly as much runway
1191         // as we would need, in the worst case.
1192         maxTrigger := uint64(((goal-c.heapMarked)/triggerRatioDen)*maxTriggerRatioNum) + c.heapMarked
1193         if goal > defaultHeapMinimum && goal-defaultHeapMinimum > maxTrigger {
1194                 maxTrigger = goal - defaultHeapMinimum
1195         }
1196         if maxTrigger < minTrigger {
1197                 maxTrigger = minTrigger
1198         }
1199
1200         // Compute the trigger from our bounds and the runway stored by commit.
1201         var trigger uint64
1202         runway := c.runway.Load()
1203         if runway > goal {
1204                 trigger = minTrigger
1205         } else {
1206                 trigger = goal - runway
1207         }
1208         if trigger < minTrigger {
1209                 trigger = minTrigger
1210         }
1211         if trigger > maxTrigger {
1212                 trigger = maxTrigger
1213         }
1214         if trigger > goal {
1215                 print("trigger=", trigger, " heapGoal=", goal, "\n")
1216                 print("minTrigger=", minTrigger, " maxTrigger=", maxTrigger, "\n")
1217                 throw("produced a trigger greater than the heap goal")
1218         }
1219         return trigger, goal
1220 }
1221
1222 // commit recomputes all pacing parameters needed to derive the
1223 // trigger and the heap goal. Namely, the gcPercent-based heap goal,
1224 // and the amount of runway we want to give the GC this cycle.
1225 //
1226 // This can be called any time. If GC is the in the middle of a
1227 // concurrent phase, it will adjust the pacing of that phase.
1228 //
1229 // isSweepDone should be the result of calling isSweepDone(),
1230 // unless we're testing or we know we're executing during a GC cycle.
1231 //
1232 // This depends on gcPercent, gcController.heapMarked, and
1233 // gcController.heapLive. These must be up to date.
1234 //
1235 // Callers must call gcControllerState.revise after calling this
1236 // function if the GC is enabled.
1237 //
1238 // mheap_.lock must be held or the world must be stopped.
1239 func (c *gcControllerState) commit(isSweepDone bool) {
1240         if !c.test {
1241                 assertWorldStoppedOrLockHeld(&mheap_.lock)
1242         }
1243
1244         if isSweepDone {
1245                 // The sweep is done, so there aren't any restrictions on the trigger
1246                 // we need to think about.
1247                 c.sweepDistMinTrigger.Store(0)
1248         } else {
1249                 // Concurrent sweep happens in the heap growth
1250                 // from gcController.heapLive to trigger. Make sure we
1251                 // give the sweeper some runway if it doesn't have enough.
1252                 c.sweepDistMinTrigger.Store(c.heapLive.Load() + sweepMinHeapDistance)
1253         }
1254
1255         // Compute the next GC goal, which is when the allocated heap
1256         // has grown by GOGC/100 over where it started the last cycle,
1257         // plus additional runway for non-heap sources of GC work.
1258         gcPercentHeapGoal := ^uint64(0)
1259         if gcPercent := c.gcPercent.Load(); gcPercent >= 0 {
1260                 gcPercentHeapGoal = c.heapMarked + (c.heapMarked+atomic.Load64(&c.lastStackScan)+atomic.Load64(&c.globalsScan))*uint64(gcPercent)/100
1261         }
1262         // Apply the minimum heap size here. It's defined in terms of gcPercent
1263         // and is only updated by functions that call commit.
1264         if gcPercentHeapGoal < c.heapMinimum {
1265                 gcPercentHeapGoal = c.heapMinimum
1266         }
1267         c.gcPercentHeapGoal.Store(gcPercentHeapGoal)
1268
1269         // Compute the amount of runway we want the GC to have by using our
1270         // estimate of the cons/mark ratio.
1271         //
1272         // The idea is to take our expected scan work, and multiply it by
1273         // the cons/mark ratio to determine how long it'll take to complete
1274         // that scan work in terms of bytes allocated. This gives us our GC's
1275         // runway.
1276         //
1277         // However, the cons/mark ratio is a ratio of rates per CPU-second, but
1278         // here we care about the relative rates for some division of CPU
1279         // resources among the mutator and the GC.
1280         //
1281         // To summarize, we have B / cpu-ns, and we want B / ns. We get that
1282         // by multiplying by our desired division of CPU resources. We choose
1283         // to express CPU resources as GOMAPROCS*fraction. Note that because
1284         // we're working with a ratio here, we can omit the number of CPU cores,
1285         // because they'll appear in the numerator and denominator and cancel out.
1286         // As a result, this is basically just "weighing" the cons/mark ratio by
1287         // our desired division of resources.
1288         //
1289         // Furthermore, by setting the runway so that CPU resources are divided
1290         // this way, assuming that the cons/mark ratio is correct, we make that
1291         // division a reality.
1292         c.runway.Store(uint64((c.consMark * (1 - gcGoalUtilization) / (gcGoalUtilization)) * float64(c.lastHeapScan+c.lastStackScan+c.globalsScan)))
1293 }
1294
1295 // setGCPercent updates gcPercent. commit must be called after.
1296 // Returns the old value of gcPercent.
1297 //
1298 // The world must be stopped, or mheap_.lock must be held.
1299 func (c *gcControllerState) setGCPercent(in int32) int32 {
1300         if !c.test {
1301                 assertWorldStoppedOrLockHeld(&mheap_.lock)
1302         }
1303
1304         out := c.gcPercent.Load()
1305         if in < 0 {
1306                 in = -1
1307         }
1308         c.heapMinimum = defaultHeapMinimum * uint64(in) / 100
1309         c.gcPercent.Store(in)
1310
1311         return out
1312 }
1313
1314 //go:linkname setGCPercent runtime/debug.setGCPercent
1315 func setGCPercent(in int32) (out int32) {
1316         // Run on the system stack since we grab the heap lock.
1317         systemstack(func() {
1318                 lock(&mheap_.lock)
1319                 out = gcController.setGCPercent(in)
1320                 gcControllerCommit()
1321                 unlock(&mheap_.lock)
1322         })
1323
1324         // If we just disabled GC, wait for any concurrent GC mark to
1325         // finish so we always return with no GC running.
1326         if in < 0 {
1327                 gcWaitOnMark(atomic.Load(&work.cycles))
1328         }
1329
1330         return out
1331 }
1332
1333 func readGOGC() int32 {
1334         p := gogetenv("GOGC")
1335         if p == "off" {
1336                 return -1
1337         }
1338         if n, ok := atoi32(p); ok {
1339                 return n
1340         }
1341         return 100
1342 }
1343
1344 // setMemoryLimit updates memoryLimit. commit must be called after
1345 // Returns the old value of memoryLimit.
1346 //
1347 // The world must be stopped, or mheap_.lock must be held.
1348 func (c *gcControllerState) setMemoryLimit(in int64) int64 {
1349         if !c.test {
1350                 assertWorldStoppedOrLockHeld(&mheap_.lock)
1351         }
1352
1353         out := c.memoryLimit.Load()
1354         if in >= 0 {
1355                 c.memoryLimit.Store(in)
1356         }
1357
1358         return out
1359 }
1360
1361 //go:linkname setMemoryLimit runtime/debug.setMemoryLimit
1362 func setMemoryLimit(in int64) (out int64) {
1363         // Run on the system stack since we grab the heap lock.
1364         systemstack(func() {
1365                 lock(&mheap_.lock)
1366                 out = gcController.setMemoryLimit(in)
1367                 if in < 0 || out == in {
1368                         // If we're just checking the value or not changing
1369                         // it, there's no point in doing the rest.
1370                         unlock(&mheap_.lock)
1371                         return
1372                 }
1373                 gcControllerCommit()
1374                 unlock(&mheap_.lock)
1375         })
1376         return out
1377 }
1378
1379 func readGOMEMLIMIT() int64 {
1380         p := gogetenv("GOMEMLIMIT")
1381         if p == "" || p == "off" {
1382                 return maxInt64
1383         }
1384         n, ok := parseByteCount(p)
1385         if !ok {
1386                 print("GOMEMLIMIT=", p, "\n")
1387                 throw("malformed GOMEMLIMIT; see `go doc runtime/debug.SetMemoryLimit`")
1388         }
1389         return n
1390 }
1391
1392 type piController struct {
1393         kp float64 // Proportional constant.
1394         ti float64 // Integral time constant.
1395         tt float64 // Reset time.
1396
1397         min, max float64 // Output boundaries.
1398
1399         // PI controller state.
1400
1401         errIntegral float64 // Integral of the error from t=0 to now.
1402
1403         // Error flags.
1404         errOverflow   bool // Set if errIntegral ever overflowed.
1405         inputOverflow bool // Set if an operation with the input overflowed.
1406 }
1407
1408 // next provides a new sample to the controller.
1409 //
1410 // input is the sample, setpoint is the desired point, and period is how much
1411 // time (in whatever unit makes the most sense) has passed since the last sample.
1412 //
1413 // Returns a new value for the variable it's controlling, and whether the operation
1414 // completed successfully. One reason this might fail is if error has been growing
1415 // in an unbounded manner, to the point of overflow.
1416 //
1417 // In the specific case of an error overflow occurs, the errOverflow field will be
1418 // set and the rest of the controller's internal state will be fully reset.
1419 func (c *piController) next(input, setpoint, period float64) (float64, bool) {
1420         // Compute the raw output value.
1421         prop := c.kp * (setpoint - input)
1422         rawOutput := prop + c.errIntegral
1423
1424         // Clamp rawOutput into output.
1425         output := rawOutput
1426         if isInf(output) || isNaN(output) {
1427                 // The input had a large enough magnitude that either it was already
1428                 // overflowed, or some operation with it overflowed.
1429                 // Set a flag and reset. That's the safest thing to do.
1430                 c.reset()
1431                 c.inputOverflow = true
1432                 return c.min, false
1433         }
1434         if output < c.min {
1435                 output = c.min
1436         } else if output > c.max {
1437                 output = c.max
1438         }
1439
1440         // Update the controller's state.
1441         if c.ti != 0 && c.tt != 0 {
1442                 c.errIntegral += (c.kp*period/c.ti)*(setpoint-input) + (period/c.tt)*(output-rawOutput)
1443                 if isInf(c.errIntegral) || isNaN(c.errIntegral) {
1444                         // So much error has accumulated that we managed to overflow.
1445                         // The assumptions around the controller have likely broken down.
1446                         // Set a flag and reset. That's the safest thing to do.
1447                         c.reset()
1448                         c.errOverflow = true
1449                         return c.min, false
1450                 }
1451         }
1452         return output, true
1453 }
1454
1455 // reset resets the controller state, except for controller error flags.
1456 func (c *piController) reset() {
1457         c.errIntegral = 0
1458 }
1459
1460 // addIdleMarkWorker attempts to add a new idle mark worker.
1461 //
1462 // If this returns true, the caller must become an idle mark worker unless
1463 // there's no background mark worker goroutines in the pool. This case is
1464 // harmless because there are already background mark workers running.
1465 // If this returns false, the caller must NOT become an idle mark worker.
1466 //
1467 // nosplit because it may be called without a P.
1468 //
1469 //go:nosplit
1470 func (c *gcControllerState) addIdleMarkWorker() bool {
1471         for {
1472                 old := c.idleMarkWorkers.Load()
1473                 n, max := int32(old&uint64(^uint32(0))), int32(old>>32)
1474                 if n >= max {
1475                         // See the comment on idleMarkWorkers for why
1476                         // n > max is tolerated.
1477                         return false
1478                 }
1479                 if n < 0 {
1480                         print("n=", n, " max=", max, "\n")
1481                         throw("negative idle mark workers")
1482                 }
1483                 new := uint64(uint32(n+1)) | (uint64(max) << 32)
1484                 if c.idleMarkWorkers.CompareAndSwap(old, new) {
1485                         return true
1486                 }
1487         }
1488 }
1489
1490 // needIdleMarkWorker is a hint as to whether another idle mark worker is needed.
1491 //
1492 // The caller must still call addIdleMarkWorker to become one. This is mainly
1493 // useful for a quick check before an expensive operation.
1494 //
1495 // nosplit because it may be called without a P.
1496 //
1497 //go:nosplit
1498 func (c *gcControllerState) needIdleMarkWorker() bool {
1499         p := c.idleMarkWorkers.Load()
1500         n, max := int32(p&uint64(^uint32(0))), int32(p>>32)
1501         return n < max
1502 }
1503
1504 // removeIdleMarkWorker must be called when an new idle mark worker stops executing.
1505 func (c *gcControllerState) removeIdleMarkWorker() {
1506         for {
1507                 old := c.idleMarkWorkers.Load()
1508                 n, max := int32(old&uint64(^uint32(0))), int32(old>>32)
1509                 if n-1 < 0 {
1510                         print("n=", n, " max=", max, "\n")
1511                         throw("negative idle mark workers")
1512                 }
1513                 new := uint64(uint32(n-1)) | (uint64(max) << 32)
1514                 if c.idleMarkWorkers.CompareAndSwap(old, new) {
1515                         return
1516                 }
1517         }
1518 }
1519
1520 // setMaxIdleMarkWorkers sets the maximum number of idle mark workers allowed.
1521 //
1522 // This method is optimistic in that it does not wait for the number of
1523 // idle mark workers to reduce to max before returning; it assumes the workers
1524 // will deschedule themselves.
1525 func (c *gcControllerState) setMaxIdleMarkWorkers(max int32) {
1526         for {
1527                 old := c.idleMarkWorkers.Load()
1528                 n := int32(old & uint64(^uint32(0)))
1529                 if n < 0 {
1530                         print("n=", n, " max=", max, "\n")
1531                         throw("negative idle mark workers")
1532                 }
1533                 new := uint64(uint32(n)) | (uint64(max) << 32)
1534                 if c.idleMarkWorkers.CompareAndSwap(old, new) {
1535                         return
1536                 }
1537         }
1538 }
1539
1540 // gcControllerCommit is gcController.commit, but passes arguments from live
1541 // (non-test) data. It also updates any consumers of the GC pacing, such as
1542 // sweep pacing and the background scavenger.
1543 //
1544 // Calls gcController.commit.
1545 //
1546 // The heap lock must be held, so this must be executed on the system stack.
1547 //
1548 //go:systemstack
1549 func gcControllerCommit() {
1550         assertWorldStoppedOrLockHeld(&mheap_.lock)
1551
1552         gcController.commit(isSweepDone())
1553
1554         // Update mark pacing.
1555         if gcphase != _GCoff {
1556                 gcController.revise()
1557         }
1558
1559         // TODO(mknyszek): This isn't really accurate any longer because the heap
1560         // goal is computed dynamically. Still useful to snapshot, but not as useful.
1561         if trace.enabled {
1562                 traceHeapGoal()
1563         }
1564
1565         trigger, heapGoal := gcController.trigger()
1566         gcPaceSweeper(trigger)
1567         gcPaceScavenger(gcController.memoryLimit.Load(), heapGoal, gcController.lastHeapGoal)
1568 }