]> Cypherpunks.ru repositories - gostls13.git/blob - src/runtime/mgcpacer.go
Merge "[dev.unified] all: merge master (8e1e64c) into dev.unified" into dev.unified
[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
443         // TODO(mknyszek): This is supposed to be the actual trigger point for the heap, but
444         // causes regressions in memory use. The cause is that the PI controller used to smooth
445         // the cons/mark ratio measurements tends to flail when using the less accurate precomputed
446         // trigger for the cons/mark calculation, and this results in the controller being more
447         // conservative about steady-states it tries to find in the future.
448         //
449         // This conservatism is transient, but these transient states tend to matter for short-lived
450         // programs, especially because the PI controller is overdamped, partially because it is
451         // configured with a relatively large time constant.
452         //
453         // Ultimately, I think this is just two mistakes piled on one another: the choice of a swingy
454         // smoothing function that recalls a fairly long history (due to its overdamped time constant)
455         // coupled with an inaccurate cons/mark calculation. It just so happens this works better
456         // today, and it makes it harder to change things in the future.
457         //
458         // This is described in #53738. Fix this for #53892 by changing back to the actual trigger
459         // point and simplifying the smoothing function.
460         heapTrigger, heapGoal := c.trigger()
461         c.triggered = heapTrigger
462
463         // Compute the background mark utilization goal. In general,
464         // this may not come out exactly. We round the number of
465         // dedicated workers so that the utilization is closest to
466         // 25%. For small GOMAXPROCS, this would introduce too much
467         // error, so we add fractional workers in that case.
468         totalUtilizationGoal := float64(procs) * gcBackgroundUtilization
469         c.dedicatedMarkWorkersNeeded = int64(totalUtilizationGoal + 0.5)
470         utilError := float64(c.dedicatedMarkWorkersNeeded)/totalUtilizationGoal - 1
471         const maxUtilError = 0.3
472         if utilError < -maxUtilError || utilError > maxUtilError {
473                 // Rounding put us more than 30% off our goal. With
474                 // gcBackgroundUtilization of 25%, this happens for
475                 // GOMAXPROCS<=3 or GOMAXPROCS=6. Enable fractional
476                 // workers to compensate.
477                 if float64(c.dedicatedMarkWorkersNeeded) > totalUtilizationGoal {
478                         // Too many dedicated workers.
479                         c.dedicatedMarkWorkersNeeded--
480                 }
481                 c.fractionalUtilizationGoal = (totalUtilizationGoal - float64(c.dedicatedMarkWorkersNeeded)) / float64(procs)
482         } else {
483                 c.fractionalUtilizationGoal = 0
484         }
485
486         // In STW mode, we just want dedicated workers.
487         if debug.gcstoptheworld > 0 {
488                 c.dedicatedMarkWorkersNeeded = int64(procs)
489                 c.fractionalUtilizationGoal = 0
490         }
491
492         // Clear per-P state
493         for _, p := range allp {
494                 p.gcAssistTime = 0
495                 p.gcFractionalMarkTime = 0
496         }
497
498         if trigger.kind == gcTriggerTime {
499                 // During a periodic GC cycle, reduce the number of idle mark workers
500                 // required. However, we need at least one dedicated mark worker or
501                 // idle GC worker to ensure GC progress in some scenarios (see comment
502                 // on maxIdleMarkWorkers).
503                 if c.dedicatedMarkWorkersNeeded > 0 {
504                         c.setMaxIdleMarkWorkers(0)
505                 } else {
506                         // TODO(mknyszek): The fundamental reason why we need this is because
507                         // we can't count on the fractional mark worker to get scheduled.
508                         // Fix that by ensuring it gets scheduled according to its quota even
509                         // if the rest of the application is idle.
510                         c.setMaxIdleMarkWorkers(1)
511                 }
512         } else {
513                 // N.B. gomaxprocs and dedicatedMarkWorkersNeeded is guaranteed not to
514                 // change during a GC cycle.
515                 c.setMaxIdleMarkWorkers(int32(procs) - int32(c.dedicatedMarkWorkersNeeded))
516         }
517
518         // Compute initial values for controls that are updated
519         // throughout the cycle.
520         c.revise()
521
522         if debug.gcpacertrace > 0 {
523                 assistRatio := c.assistWorkPerByte.Load()
524                 print("pacer: assist ratio=", assistRatio,
525                         " (scan ", gcController.heapScan>>20, " MB in ",
526                         work.initialHeapLive>>20, "->",
527                         heapGoal>>20, " MB)",
528                         " workers=", c.dedicatedMarkWorkersNeeded,
529                         "+", c.fractionalUtilizationGoal, "\n")
530         }
531 }
532
533 // revise updates the assist ratio during the GC cycle to account for
534 // improved estimates. This should be called whenever gcController.heapScan,
535 // gcController.heapLive, or if any inputs to gcController.heapGoal are
536 // updated. It is safe to call concurrently, but it may race with other
537 // calls to revise.
538 //
539 // The result of this race is that the two assist ratio values may not line
540 // up or may be stale. In practice this is OK because the assist ratio
541 // moves slowly throughout a GC cycle, and the assist ratio is a best-effort
542 // heuristic anyway. Furthermore, no part of the heuristic depends on
543 // the two assist ratio values being exact reciprocals of one another, since
544 // the two values are used to convert values from different sources.
545 //
546 // The worst case result of this raciness is that we may miss a larger shift
547 // in the ratio (say, if we decide to pace more aggressively against the
548 // hard heap goal) but even this "hard goal" is best-effort (see #40460).
549 // The dedicated GC should ensure we don't exceed the hard goal by too much
550 // in the rare case we do exceed it.
551 //
552 // It should only be called when gcBlackenEnabled != 0 (because this
553 // is when assists are enabled and the necessary statistics are
554 // available).
555 func (c *gcControllerState) revise() {
556         gcPercent := c.gcPercent.Load()
557         if gcPercent < 0 {
558                 // If GC is disabled but we're running a forced GC,
559                 // act like GOGC is huge for the below calculations.
560                 gcPercent = 100000
561         }
562         live := atomic.Load64(&c.heapLive)
563         scan := atomic.Load64(&c.heapScan)
564         work := c.heapScanWork.Load() + c.stackScanWork.Load() + c.globalsScanWork.Load()
565
566         // Assume we're under the soft goal. Pace GC to complete at
567         // heapGoal assuming the heap is in steady-state.
568         heapGoal := int64(c.heapGoal())
569
570         // The expected scan work is computed as the amount of bytes scanned last
571         // GC cycle (both heap and stack), plus our estimate of globals work for this cycle.
572         scanWorkExpected := int64(c.lastHeapScan + c.lastStackScan + c.globalsScan)
573
574         // maxScanWork is a worst-case estimate of the amount of scan work that
575         // needs to be performed in this GC cycle. Specifically, it represents
576         // the case where *all* scannable memory turns out to be live, and
577         // *all* allocated stack space is scannable.
578         maxStackScan := atomic.Load64(&c.maxStackScan)
579         maxScanWork := int64(scan + maxStackScan + c.globalsScan)
580         if work > scanWorkExpected {
581                 // We've already done more scan work than expected. Because our expectation
582                 // is based on a steady-state scannable heap size, we assume this means our
583                 // heap is growing. Compute a new heap goal that takes our existing runway
584                 // computed for scanWorkExpected and extrapolates it to maxScanWork, the worst-case
585                 // scan work. This keeps our assist ratio stable if the heap continues to grow.
586                 //
587                 // The effect of this mechanism is that assists stay flat in the face of heap
588                 // growths. It's OK to use more memory this cycle to scan all the live heap,
589                 // because the next GC cycle is inevitably going to use *at least* that much
590                 // memory anyway.
591                 extHeapGoal := int64(float64(heapGoal-int64(c.triggered))/float64(scanWorkExpected)*float64(maxScanWork)) + int64(c.triggered)
592                 scanWorkExpected = maxScanWork
593
594                 // hardGoal is a hard limit on the amount that we're willing to push back the
595                 // heap goal, and that's twice the heap goal (i.e. if GOGC=100 and the heap and/or
596                 // stacks and/or globals grow to twice their size, this limits the current GC cycle's
597                 // growth to 4x the original live heap's size).
598                 //
599                 // This maintains the invariant that we use no more memory than the next GC cycle
600                 // will anyway.
601                 hardGoal := int64((1.0 + float64(gcPercent)/100.0) * float64(heapGoal))
602                 if extHeapGoal > hardGoal {
603                         extHeapGoal = hardGoal
604                 }
605                 heapGoal = extHeapGoal
606         }
607         if int64(live) > heapGoal {
608                 // We're already past our heap goal, even the extrapolated one.
609                 // Leave ourselves some extra runway, so in the worst case we
610                 // finish by that point.
611                 const maxOvershoot = 1.1
612                 heapGoal = int64(float64(heapGoal) * maxOvershoot)
613
614                 // Compute the upper bound on the scan work remaining.
615                 scanWorkExpected = maxScanWork
616         }
617
618         // Compute the remaining scan work estimate.
619         //
620         // Note that we currently count allocations during GC as both
621         // scannable heap (heapScan) and scan work completed
622         // (scanWork), so allocation will change this difference
623         // slowly in the soft regime and not at all in the hard
624         // regime.
625         scanWorkRemaining := scanWorkExpected - work
626         if scanWorkRemaining < 1000 {
627                 // We set a somewhat arbitrary lower bound on
628                 // remaining scan work since if we aim a little high,
629                 // we can miss by a little.
630                 //
631                 // We *do* need to enforce that this is at least 1,
632                 // since marking is racy and double-scanning objects
633                 // may legitimately make the remaining scan work
634                 // negative, even in the hard goal regime.
635                 scanWorkRemaining = 1000
636         }
637
638         // Compute the heap distance remaining.
639         heapRemaining := heapGoal - int64(live)
640         if heapRemaining <= 0 {
641                 // This shouldn't happen, but if it does, avoid
642                 // dividing by zero or setting the assist negative.
643                 heapRemaining = 1
644         }
645
646         // Compute the mutator assist ratio so by the time the mutator
647         // allocates the remaining heap bytes up to heapGoal, it will
648         // have done (or stolen) the remaining amount of scan work.
649         // Note that the assist ratio values are updated atomically
650         // but not together. This means there may be some degree of
651         // skew between the two values. This is generally OK as the
652         // values shift relatively slowly over the course of a GC
653         // cycle.
654         assistWorkPerByte := float64(scanWorkRemaining) / float64(heapRemaining)
655         assistBytesPerWork := float64(heapRemaining) / float64(scanWorkRemaining)
656         c.assistWorkPerByte.Store(assistWorkPerByte)
657         c.assistBytesPerWork.Store(assistBytesPerWork)
658 }
659
660 // endCycle computes the consMark estimate for the next cycle.
661 // userForced indicates whether the current GC cycle was forced
662 // by the application.
663 func (c *gcControllerState) endCycle(now int64, procs int, userForced bool) {
664         // Record last heap goal for the scavenger.
665         // We'll be updating the heap goal soon.
666         gcController.lastHeapGoal = c.heapGoal()
667
668         // Compute the duration of time for which assists were turned on.
669         assistDuration := now - c.markStartTime
670
671         // Assume background mark hit its utilization goal.
672         utilization := gcBackgroundUtilization
673         // Add assist utilization; avoid divide by zero.
674         if assistDuration > 0 {
675                 utilization += float64(c.assistTime.Load()) / float64(assistDuration*int64(procs))
676         }
677
678         if c.heapLive <= c.triggered {
679                 // Shouldn't happen, but let's be very safe about this in case the
680                 // GC is somehow extremely short.
681                 //
682                 // In this case though, the only reasonable value for c.heapLive-c.triggered
683                 // would be 0, which isn't really all that useful, i.e. the GC was so short
684                 // that it didn't matter.
685                 //
686                 // Ignore this case and don't update anything.
687                 return
688         }
689         idleUtilization := 0.0
690         if assistDuration > 0 {
691                 idleUtilization = float64(c.idleMarkTime) / float64(assistDuration*int64(procs))
692         }
693         // Determine the cons/mark ratio.
694         //
695         // The units we want for the numerator and denominator are both B / cpu-ns.
696         // We get this by taking the bytes allocated or scanned, and divide by the amount of
697         // CPU time it took for those operations. For allocations, that CPU time is
698         //
699         //    assistDuration * procs * (1 - utilization)
700         //
701         // Where utilization includes just background GC workers and assists. It does *not*
702         // include idle GC work time, because in theory the mutator is free to take that at
703         // any point.
704         //
705         // For scanning, that CPU time is
706         //
707         //    assistDuration * procs * (utilization + idleUtilization)
708         //
709         // In this case, we *include* idle utilization, because that is additional CPU time that the
710         // the GC had available to it.
711         //
712         // In effect, idle GC time is sort of double-counted here, but it's very weird compared
713         // to other kinds of GC work, because of how fluid it is. Namely, because the mutator is
714         // *always* free to take it.
715         //
716         // So this calculation is really:
717         //     (heapLive-trigger) / (assistDuration * procs * (1-utilization)) /
718         //         (scanWork) / (assistDuration * procs * (utilization+idleUtilization)
719         //
720         // Note that because we only care about the ratio, assistDuration and procs cancel out.
721         scanWork := c.heapScanWork.Load() + c.stackScanWork.Load() + c.globalsScanWork.Load()
722         currentConsMark := (float64(c.heapLive-c.triggered) * (utilization + idleUtilization)) /
723                 (float64(scanWork) * (1 - utilization))
724
725         // Update cons/mark controller. The time period for this is 1 GC cycle.
726         //
727         // This use of a PI controller might seem strange. So, here's an explanation:
728         //
729         // currentConsMark represents the consMark we *should've* had to be perfectly
730         // on-target for this cycle. Given that we assume the next GC will be like this
731         // one in the steady-state, it stands to reason that we should just pick that
732         // as our next consMark. In practice, however, currentConsMark is too noisy:
733         // we're going to be wildly off-target in each GC cycle if we do that.
734         //
735         // What we do instead is make a long-term assumption: there is some steady-state
736         // consMark value, but it's obscured by noise. By constantly shooting for this
737         // noisy-but-perfect consMark value, the controller will bounce around a bit,
738         // but its average behavior, in aggregate, should be less noisy and closer to
739         // the true long-term consMark value, provided its tuned to be slightly overdamped.
740         var ok bool
741         oldConsMark := c.consMark
742         c.consMark, ok = c.consMarkController.next(c.consMark, currentConsMark, 1.0)
743         if !ok {
744                 // The error spiraled out of control. This is incredibly unlikely seeing
745                 // as this controller is essentially just a smoothing function, but it might
746                 // mean that something went very wrong with how currentConsMark was calculated.
747                 // Just reset consMark and keep going.
748                 c.consMark = 0
749         }
750
751         if debug.gcpacertrace > 0 {
752                 printlock()
753                 goal := gcGoalUtilization * 100
754                 print("pacer: ", int(utilization*100), "% CPU (", int(goal), " exp.) for ")
755                 print(c.heapScanWork.Load(), "+", c.stackScanWork.Load(), "+", c.globalsScanWork.Load(), " B work (", c.lastHeapScan+c.lastStackScan+c.globalsScan, " B exp.) ")
756                 print("in ", c.triggered, " B -> ", c.heapLive, " B (∆goal ", int64(c.heapLive)-int64(c.lastHeapGoal), ", cons/mark ", oldConsMark, ")")
757                 if !ok {
758                         print("[controller reset]")
759                 }
760                 println()
761                 printunlock()
762         }
763 }
764
765 // enlistWorker encourages another dedicated mark worker to start on
766 // another P if there are spare worker slots. It is used by putfull
767 // when more work is made available.
768 //
769 //go:nowritebarrier
770 func (c *gcControllerState) enlistWorker() {
771         // If there are idle Ps, wake one so it will run an idle worker.
772         // NOTE: This is suspected of causing deadlocks. See golang.org/issue/19112.
773         //
774         //      if atomic.Load(&sched.npidle) != 0 && atomic.Load(&sched.nmspinning) == 0 {
775         //              wakep()
776         //              return
777         //      }
778
779         // There are no idle Ps. If we need more dedicated workers,
780         // try to preempt a running P so it will switch to a worker.
781         if c.dedicatedMarkWorkersNeeded <= 0 {
782                 return
783         }
784         // Pick a random other P to preempt.
785         if gomaxprocs <= 1 {
786                 return
787         }
788         gp := getg()
789         if gp == nil || gp.m == nil || gp.m.p == 0 {
790                 return
791         }
792         myID := gp.m.p.ptr().id
793         for tries := 0; tries < 5; tries++ {
794                 id := int32(fastrandn(uint32(gomaxprocs - 1)))
795                 if id >= myID {
796                         id++
797                 }
798                 p := allp[id]
799                 if p.status != _Prunning {
800                         continue
801                 }
802                 if preemptone(p) {
803                         return
804                 }
805         }
806 }
807
808 // findRunnableGCWorker returns a background mark worker for _p_ if it
809 // should be run. This must only be called when gcBlackenEnabled != 0.
810 func (c *gcControllerState) findRunnableGCWorker(_p_ *p, now int64) (*g, int64) {
811         if gcBlackenEnabled == 0 {
812                 throw("gcControllerState.findRunnable: blackening not enabled")
813         }
814
815         // Since we have the current time, check if the GC CPU limiter
816         // hasn't had an update in a while. This check is necessary in
817         // case the limiter is on but hasn't been checked in a while and
818         // so may have left sufficient headroom to turn off again.
819         if now == 0 {
820                 now = nanotime()
821         }
822         if gcCPULimiter.needUpdate(now) {
823                 gcCPULimiter.update(now)
824         }
825
826         if !gcMarkWorkAvailable(_p_) {
827                 // No work to be done right now. This can happen at
828                 // the end of the mark phase when there are still
829                 // assists tapering off. Don't bother running a worker
830                 // now because it'll just return immediately.
831                 return nil, now
832         }
833
834         // Grab a worker before we commit to running below.
835         node := (*gcBgMarkWorkerNode)(gcBgMarkWorkerPool.pop())
836         if node == nil {
837                 // There is at least one worker per P, so normally there are
838                 // enough workers to run on all Ps, if necessary. However, once
839                 // a worker enters gcMarkDone it may park without rejoining the
840                 // pool, thus freeing a P with no corresponding worker.
841                 // gcMarkDone never depends on another worker doing work, so it
842                 // is safe to simply do nothing here.
843                 //
844                 // If gcMarkDone bails out without completing the mark phase,
845                 // it will always do so with queued global work. Thus, that P
846                 // will be immediately eligible to re-run the worker G it was
847                 // just using, ensuring work can complete.
848                 return nil, now
849         }
850
851         decIfPositive := func(ptr *int64) bool {
852                 for {
853                         v := atomic.Loadint64(ptr)
854                         if v <= 0 {
855                                 return false
856                         }
857
858                         if atomic.Casint64(ptr, v, v-1) {
859                                 return true
860                         }
861                 }
862         }
863
864         if decIfPositive(&c.dedicatedMarkWorkersNeeded) {
865                 // This P is now dedicated to marking until the end of
866                 // the concurrent mark phase.
867                 _p_.gcMarkWorkerMode = gcMarkWorkerDedicatedMode
868         } else if c.fractionalUtilizationGoal == 0 {
869                 // No need for fractional workers.
870                 gcBgMarkWorkerPool.push(&node.node)
871                 return nil, now
872         } else {
873                 // Is this P behind on the fractional utilization
874                 // goal?
875                 //
876                 // This should be kept in sync with pollFractionalWorkerExit.
877                 delta := now - c.markStartTime
878                 if delta > 0 && float64(_p_.gcFractionalMarkTime)/float64(delta) > c.fractionalUtilizationGoal {
879                         // Nope. No need to run a fractional worker.
880                         gcBgMarkWorkerPool.push(&node.node)
881                         return nil, now
882                 }
883                 // Run a fractional worker.
884                 _p_.gcMarkWorkerMode = gcMarkWorkerFractionalMode
885         }
886
887         // Run the background mark worker.
888         gp := node.gp.ptr()
889         casgstatus(gp, _Gwaiting, _Grunnable)
890         if trace.enabled {
891                 traceGoUnpark(gp, 0)
892         }
893         return gp, now
894 }
895
896 // resetLive sets up the controller state for the next mark phase after the end
897 // of the previous one. Must be called after endCycle and before commit, before
898 // the world is started.
899 //
900 // The world must be stopped.
901 func (c *gcControllerState) resetLive(bytesMarked uint64) {
902         c.heapMarked = bytesMarked
903         c.heapLive = bytesMarked
904         c.heapScan = uint64(c.heapScanWork.Load())
905         c.lastHeapScan = uint64(c.heapScanWork.Load())
906         c.lastStackScan = uint64(c.stackScanWork.Load())
907         c.triggered = ^uint64(0) // Reset triggered.
908
909         // heapLive was updated, so emit a trace event.
910         if trace.enabled {
911                 traceHeapAlloc()
912         }
913 }
914
915 // markWorkerStop must be called whenever a mark worker stops executing.
916 //
917 // It updates mark work accounting in the controller by a duration of
918 // work in nanoseconds and other bookkeeping.
919 //
920 // Safe to execute at any time.
921 func (c *gcControllerState) markWorkerStop(mode gcMarkWorkerMode, duration int64) {
922         switch mode {
923         case gcMarkWorkerDedicatedMode:
924                 atomic.Xaddint64(&c.dedicatedMarkTime, duration)
925                 atomic.Xaddint64(&c.dedicatedMarkWorkersNeeded, 1)
926         case gcMarkWorkerFractionalMode:
927                 atomic.Xaddint64(&c.fractionalMarkTime, duration)
928         case gcMarkWorkerIdleMode:
929                 atomic.Xaddint64(&c.idleMarkTime, duration)
930                 c.removeIdleMarkWorker()
931         default:
932                 throw("markWorkerStop: unknown mark worker mode")
933         }
934 }
935
936 func (c *gcControllerState) update(dHeapLive, dHeapScan int64) {
937         if dHeapLive != 0 {
938                 atomic.Xadd64(&gcController.heapLive, dHeapLive)
939                 if trace.enabled {
940                         // gcController.heapLive changed.
941                         traceHeapAlloc()
942                 }
943         }
944         if gcBlackenEnabled == 0 {
945                 // Update heapScan when we're not in a current GC. It is fixed
946                 // at the beginning of a cycle.
947                 if dHeapScan != 0 {
948                         atomic.Xadd64(&gcController.heapScan, dHeapScan)
949                 }
950         } else {
951                 // gcController.heapLive changed.
952                 c.revise()
953         }
954 }
955
956 func (c *gcControllerState) addScannableStack(pp *p, amount int64) {
957         if pp == nil {
958                 atomic.Xadd64(&c.maxStackScan, amount)
959                 return
960         }
961         pp.maxStackScanDelta += amount
962         if pp.maxStackScanDelta >= maxStackScanSlack || pp.maxStackScanDelta <= -maxStackScanSlack {
963                 atomic.Xadd64(&c.maxStackScan, pp.maxStackScanDelta)
964                 pp.maxStackScanDelta = 0
965         }
966 }
967
968 func (c *gcControllerState) addGlobals(amount int64) {
969         atomic.Xadd64(&c.globalsScan, amount)
970 }
971
972 // heapGoal returns the current heap goal.
973 func (c *gcControllerState) heapGoal() uint64 {
974         goal, _ := c.heapGoalInternal()
975         return goal
976 }
977
978 // heapGoalInternal is the implementation of heapGoal which returns additional
979 // information that is necessary for computing the trigger.
980 //
981 // The returned minTrigger is always <= goal.
982 func (c *gcControllerState) heapGoalInternal() (goal, minTrigger uint64) {
983         // Start with the goal calculated for gcPercent.
984         goal = c.gcPercentHeapGoal.Load()
985
986         // Check if the memory-limit-based goal is smaller, and if so, pick that.
987         if newGoal := c.memoryLimitHeapGoal(); go119MemoryLimitSupport && newGoal < goal {
988                 goal = newGoal
989         } else {
990                 // We're not limited by the memory limit goal, so perform a series of
991                 // adjustments that might move the goal forward in a variety of circumstances.
992
993                 sweepDistTrigger := c.sweepDistMinTrigger.Load()
994                 if sweepDistTrigger > goal {
995                         // Set the goal to maintain a minimum sweep distance since
996                         // the last call to commit. Note that we never want to do this
997                         // if we're in the memory limit regime, because it could push
998                         // the goal up.
999                         goal = sweepDistTrigger
1000                 }
1001                 // Since we ignore the sweep distance trigger in the memory
1002                 // limit regime, we need to ensure we don't propagate it to
1003                 // the trigger, because it could cause a violation of the
1004                 // invariant that the trigger < goal.
1005                 minTrigger = sweepDistTrigger
1006
1007                 // Ensure that the heap goal is at least a little larger than
1008                 // the point at which we triggered. This may not be the case if GC
1009                 // start is delayed or if the allocation that pushed gcController.heapLive
1010                 // over trigger is large or if the trigger is really close to
1011                 // GOGC. Assist is proportional to this distance, so enforce a
1012                 // minimum distance, even if it means going over the GOGC goal
1013                 // by a tiny bit.
1014                 //
1015                 // Ignore this if we're in the memory limit regime: we'd prefer to
1016                 // have the GC respond hard about how close we are to the goal than to
1017                 // push the goal back in such a manner that it could cause us to exceed
1018                 // the memory limit.
1019                 const minRunway = 64 << 10
1020                 if c.triggered != ^uint64(0) && goal < c.triggered+minRunway {
1021                         goal = c.triggered + minRunway
1022                 }
1023         }
1024         return
1025 }
1026
1027 // memoryLimitHeapGoal returns a heap goal derived from memoryLimit.
1028 func (c *gcControllerState) memoryLimitHeapGoal() uint64 {
1029         // Start by pulling out some values we'll need. Be careful about overflow.
1030         var heapFree, heapAlloc, mappedReady uint64
1031         for {
1032                 heapFree = c.heapFree.load()                         // Free and unscavenged memory.
1033                 heapAlloc = c.totalAlloc.Load() - c.totalFree.Load() // Heap object bytes in use.
1034                 mappedReady = c.mappedReady.Load()                   // Total unreleased mapped memory.
1035                 if heapFree+heapAlloc <= mappedReady {
1036                         break
1037                 }
1038                 // It is impossible for total unreleased mapped memory to exceed heap memory, but
1039                 // because these stats are updated independently, we may observe a partial update
1040                 // including only some values. Thus, we appear to break the invariant. However,
1041                 // this condition is necessarily transient, so just try again. In the case of a
1042                 // persistent accounting error, we'll deadlock here.
1043         }
1044
1045         // Below we compute a goal from memoryLimit. There are a few things to be aware of.
1046         // Firstly, the memoryLimit does not easily compare to the heap goal: the former
1047         // is total mapped memory by the runtime that hasn't been released, while the latter is
1048         // only heap object memory. Intuitively, the way we convert from one to the other is to
1049         // subtract everything from memoryLimit that both contributes to the memory limit (so,
1050         // ignore scavenged memory) and doesn't contain heap objects. This isn't quite what
1051         // lines up with reality, but it's a good starting point.
1052         //
1053         // In practice this computation looks like the following:
1054         //
1055         //    memoryLimit - ((mappedReady - heapFree - heapAlloc) + max(mappedReady - memoryLimit, 0)) - memoryLimitHeapGoalHeadroom
1056         //                    ^1                                    ^2                                   ^3
1057         //
1058         // Let's break this down.
1059         //
1060         // The first term (marker 1) is everything that contributes to the memory limit and isn't
1061         // or couldn't become heap objects. It represents, broadly speaking, non-heap overheads.
1062         // One oddity you may have noticed is that we also subtract out heapFree, i.e. unscavenged
1063         // memory that may contain heap objects in the future.
1064         //
1065         // Let's take a step back. In an ideal world, this term would look something like just
1066         // the heap goal. That is, we "reserve" enough space for the heap to grow to the heap
1067         // goal, and subtract out everything else. This is of course impossible; the definition
1068         // is circular! However, this impossible definition contains a key insight: the amount
1069         // we're *going* to use matters just as much as whatever we're currently using.
1070         //
1071         // Consider if the heap shrinks to 1/10th its size, leaving behind lots of free and
1072         // unscavenged memory. mappedReady - heapAlloc will be quite large, because of that free
1073         // and unscavenged memory, pushing the goal down significantly.
1074         //
1075         // heapFree is also safe to exclude from the memory limit because in the steady-state, it's
1076         // just a pool of memory for future heap allocations, and making new allocations from heapFree
1077         // memory doesn't increase overall memory use. In transient states, the scavenger and the
1078         // allocator actively manage the pool of heapFree memory to maintain the memory limit.
1079         //
1080         // The second term (marker 2) is the amount of memory we've exceeded the limit by, and is
1081         // intended to help recover from such a situation. By pushing the heap goal down, we also
1082         // push the trigger down, triggering and finishing a GC sooner in order to make room for
1083         // other memory sources. Note that since we're effectively reducing the heap goal by X bytes,
1084         // we're actually giving more than X bytes of headroom back, because the heap goal is in
1085         // terms of heap objects, but it takes more than X bytes (e.g. due to fragmentation) to store
1086         // X bytes worth of objects.
1087         //
1088         // The third term (marker 3) subtracts an additional memoryLimitHeapGoalHeadroom bytes from the
1089         // heap goal. As the name implies, this is to provide additional headroom in the face of pacing
1090         // inaccuracies. This is a fixed number of bytes because these inaccuracies disproportionately
1091         // affect small heaps: as heaps get smaller, the pacer's inputs get fuzzier. Shorter GC cycles
1092         // and less GC work means noisy external factors like the OS scheduler have a greater impact.
1093
1094         memoryLimit := uint64(c.memoryLimit.Load())
1095
1096         // Compute term 1.
1097         nonHeapMemory := mappedReady - heapFree - heapAlloc
1098
1099         // Compute term 2.
1100         var overage uint64
1101         if mappedReady > memoryLimit {
1102                 overage = mappedReady - memoryLimit
1103         }
1104
1105         if nonHeapMemory+overage >= memoryLimit {
1106                 // We're at a point where non-heap memory exceeds the memory limit on its own.
1107                 // There's honestly not much we can do here but just trigger GCs continuously
1108                 // and let the CPU limiter reign that in. Something has to give at this point.
1109                 // Set it to heapMarked, the lowest possible goal.
1110                 return c.heapMarked
1111         }
1112
1113         // Compute the goal.
1114         goal := memoryLimit - (nonHeapMemory + overage)
1115
1116         // Apply some headroom to the goal to account for pacing inaccuracies.
1117         // Be careful about small limits.
1118         if goal < memoryLimitHeapGoalHeadroom || goal-memoryLimitHeapGoalHeadroom < memoryLimitHeapGoalHeadroom {
1119                 goal = memoryLimitHeapGoalHeadroom
1120         } else {
1121                 goal = goal - memoryLimitHeapGoalHeadroom
1122         }
1123         // Don't let us go below the live heap. A heap goal below the live heap doesn't make sense.
1124         if goal < c.heapMarked {
1125                 goal = c.heapMarked
1126         }
1127         return goal
1128 }
1129
1130 const (
1131         // These constants determine the bounds on the GC trigger as a fraction
1132         // of heap bytes allocated between the start of a GC (heapLive == heapMarked)
1133         // and the end of a GC (heapLive == heapGoal).
1134         //
1135         // The constants are obscured in this way for efficiency. The denominator
1136         // of the fraction is always a power-of-two for a quick division, so that
1137         // the numerator is a single constant integer multiplication.
1138         triggerRatioDen = 64
1139
1140         // The minimum trigger constant was chosen empirically: given a sufficiently
1141         // fast/scalable allocator with 48 Ps that could drive the trigger ratio
1142         // to <0.05, this constant causes applications to retain the same peak
1143         // RSS compared to not having this allocator.
1144         minTriggerRatioNum = 45 // ~0.7
1145
1146         // The maximum trigger constant is chosen somewhat arbitrarily, but the
1147         // current constant has served us well over the years.
1148         maxTriggerRatioNum = 61 // ~0.95
1149 )
1150
1151 // trigger returns the current point at which a GC should trigger along with
1152 // the heap goal.
1153 //
1154 // The returned value may be compared against heapLive to determine whether
1155 // the GC should trigger. Thus, the GC trigger condition should be (but may
1156 // not be, in the case of small movements for efficiency) checked whenever
1157 // the heap goal may change.
1158 func (c *gcControllerState) trigger() (uint64, uint64) {
1159         goal, minTrigger := c.heapGoalInternal()
1160
1161         // Invariant: the trigger must always be less than the heap goal.
1162         //
1163         // Note that the memory limit sets a hard maximum on our heap goal,
1164         // but the live heap may grow beyond it.
1165
1166         if c.heapMarked >= goal {
1167                 // The goal should never be smaller than heapMarked, but let's be
1168                 // defensive about it. The only reasonable trigger here is one that
1169                 // causes a continuous GC cycle at heapMarked, but respect the goal
1170                 // if it came out as smaller than that.
1171                 return goal, goal
1172         }
1173
1174         // Below this point, c.heapMarked < goal.
1175
1176         // heapMarked is our absolute minimum, and it's possible the trigger
1177         // bound we get from heapGoalinternal is less than that.
1178         if minTrigger < c.heapMarked {
1179                 minTrigger = c.heapMarked
1180         }
1181
1182         // If we let the trigger go too low, then if the application
1183         // is allocating very rapidly we might end up in a situation
1184         // where we're allocating black during a nearly always-on GC.
1185         // The result of this is a growing heap and ultimately an
1186         // increase in RSS. By capping us at a point >0, we're essentially
1187         // saying that we're OK using more CPU during the GC to prevent
1188         // this growth in RSS.
1189         triggerLowerBound := uint64(((goal-c.heapMarked)/triggerRatioDen)*minTriggerRatioNum) + c.heapMarked
1190         if minTrigger < triggerLowerBound {
1191                 minTrigger = triggerLowerBound
1192         }
1193
1194         // For small heaps, set the max trigger point at maxTriggerRatio of the way
1195         // from the live heap to the heap goal. This ensures we always have *some*
1196         // headroom when the GC actually starts. For larger heaps, set the max trigger
1197         // point at the goal, minus the minimum heap size.
1198         //
1199         // This choice follows from the fact that the minimum heap size is chosen
1200         // to reflect the costs of a GC with no work to do. With a large heap but
1201         // very little scan work to perform, this gives us exactly as much runway
1202         // as we would need, in the worst case.
1203         maxTrigger := uint64(((goal-c.heapMarked)/triggerRatioDen)*maxTriggerRatioNum) + c.heapMarked
1204         if goal > defaultHeapMinimum && goal-defaultHeapMinimum > maxTrigger {
1205                 maxTrigger = goal - defaultHeapMinimum
1206         }
1207         if maxTrigger < minTrigger {
1208                 maxTrigger = minTrigger
1209         }
1210
1211         // Compute the trigger from our bounds and the runway stored by commit.
1212         var trigger uint64
1213         runway := c.runway.Load()
1214         if runway > goal {
1215                 trigger = minTrigger
1216         } else {
1217                 trigger = goal - runway
1218         }
1219         if trigger < minTrigger {
1220                 trigger = minTrigger
1221         }
1222         if trigger > maxTrigger {
1223                 trigger = maxTrigger
1224         }
1225         if trigger > goal {
1226                 print("trigger=", trigger, " heapGoal=", goal, "\n")
1227                 print("minTrigger=", minTrigger, " maxTrigger=", maxTrigger, "\n")
1228                 throw("produced a trigger greater than the heap goal")
1229         }
1230         return trigger, goal
1231 }
1232
1233 // commit recomputes all pacing parameters needed to derive the
1234 // trigger and the heap goal. Namely, the gcPercent-based heap goal,
1235 // and the amount of runway we want to give the GC this cycle.
1236 //
1237 // This can be called any time. If GC is the in the middle of a
1238 // concurrent phase, it will adjust the pacing of that phase.
1239 //
1240 // isSweepDone should be the result of calling isSweepDone(),
1241 // unless we're testing or we know we're executing during a GC cycle.
1242 //
1243 // This depends on gcPercent, gcController.heapMarked, and
1244 // gcController.heapLive. These must be up to date.
1245 //
1246 // Callers must call gcControllerState.revise after calling this
1247 // function if the GC is enabled.
1248 //
1249 // mheap_.lock must be held or the world must be stopped.
1250 func (c *gcControllerState) commit(isSweepDone bool) {
1251         if !c.test {
1252                 assertWorldStoppedOrLockHeld(&mheap_.lock)
1253         }
1254
1255         if isSweepDone {
1256                 // The sweep is done, so there aren't any restrictions on the trigger
1257                 // we need to think about.
1258                 c.sweepDistMinTrigger.Store(0)
1259         } else {
1260                 // Concurrent sweep happens in the heap growth
1261                 // from gcController.heapLive to trigger. Make sure we
1262                 // give the sweeper some runway if it doesn't have enough.
1263                 c.sweepDistMinTrigger.Store(atomic.Load64(&c.heapLive) + sweepMinHeapDistance)
1264         }
1265
1266         // Compute the next GC goal, which is when the allocated heap
1267         // has grown by GOGC/100 over where it started the last cycle,
1268         // plus additional runway for non-heap sources of GC work.
1269         gcPercentHeapGoal := ^uint64(0)
1270         if gcPercent := c.gcPercent.Load(); gcPercent >= 0 {
1271                 gcPercentHeapGoal = c.heapMarked + (c.heapMarked+atomic.Load64(&c.lastStackScan)+atomic.Load64(&c.globalsScan))*uint64(gcPercent)/100
1272         }
1273         // Apply the minimum heap size here. It's defined in terms of gcPercent
1274         // and is only updated by functions that call commit.
1275         if gcPercentHeapGoal < c.heapMinimum {
1276                 gcPercentHeapGoal = c.heapMinimum
1277         }
1278         c.gcPercentHeapGoal.Store(gcPercentHeapGoal)
1279
1280         // Compute the amount of runway we want the GC to have by using our
1281         // estimate of the cons/mark ratio.
1282         //
1283         // The idea is to take our expected scan work, and multiply it by
1284         // the cons/mark ratio to determine how long it'll take to complete
1285         // that scan work in terms of bytes allocated. This gives us our GC's
1286         // runway.
1287         //
1288         // However, the cons/mark ratio is a ratio of rates per CPU-second, but
1289         // here we care about the relative rates for some division of CPU
1290         // resources among the mutator and the GC.
1291         //
1292         // To summarize, we have B / cpu-ns, and we want B / ns. We get that
1293         // by multiplying by our desired division of CPU resources. We choose
1294         // to express CPU resources as GOMAPROCS*fraction. Note that because
1295         // we're working with a ratio here, we can omit the number of CPU cores,
1296         // because they'll appear in the numerator and denominator and cancel out.
1297         // As a result, this is basically just "weighing" the cons/mark ratio by
1298         // our desired division of resources.
1299         //
1300         // Furthermore, by setting the runway so that CPU resources are divided
1301         // this way, assuming that the cons/mark ratio is correct, we make that
1302         // division a reality.
1303         c.runway.Store(uint64((c.consMark * (1 - gcGoalUtilization) / (gcGoalUtilization)) * float64(c.lastHeapScan+c.lastStackScan+c.globalsScan)))
1304 }
1305
1306 // setGCPercent updates gcPercent. commit must be called after.
1307 // Returns the old value of gcPercent.
1308 //
1309 // The world must be stopped, or mheap_.lock must be held.
1310 func (c *gcControllerState) setGCPercent(in int32) int32 {
1311         if !c.test {
1312                 assertWorldStoppedOrLockHeld(&mheap_.lock)
1313         }
1314
1315         out := c.gcPercent.Load()
1316         if in < 0 {
1317                 in = -1
1318         }
1319         c.heapMinimum = defaultHeapMinimum * uint64(in) / 100
1320         c.gcPercent.Store(in)
1321
1322         return out
1323 }
1324
1325 //go:linkname setGCPercent runtime/debug.setGCPercent
1326 func setGCPercent(in int32) (out int32) {
1327         // Run on the system stack since we grab the heap lock.
1328         systemstack(func() {
1329                 lock(&mheap_.lock)
1330                 out = gcController.setGCPercent(in)
1331                 gcControllerCommit()
1332                 unlock(&mheap_.lock)
1333         })
1334
1335         // If we just disabled GC, wait for any concurrent GC mark to
1336         // finish so we always return with no GC running.
1337         if in < 0 {
1338                 gcWaitOnMark(atomic.Load(&work.cycles))
1339         }
1340
1341         return out
1342 }
1343
1344 func readGOGC() int32 {
1345         p := gogetenv("GOGC")
1346         if p == "off" {
1347                 return -1
1348         }
1349         if n, ok := atoi32(p); ok {
1350                 return n
1351         }
1352         return 100
1353 }
1354
1355 // setMemoryLimit updates memoryLimit. commit must be called after
1356 // Returns the old value of memoryLimit.
1357 //
1358 // The world must be stopped, or mheap_.lock must be held.
1359 func (c *gcControllerState) setMemoryLimit(in int64) int64 {
1360         if !c.test {
1361                 assertWorldStoppedOrLockHeld(&mheap_.lock)
1362         }
1363
1364         out := c.memoryLimit.Load()
1365         if in >= 0 {
1366                 c.memoryLimit.Store(in)
1367         }
1368
1369         return out
1370 }
1371
1372 //go:linkname setMemoryLimit runtime/debug.setMemoryLimit
1373 func setMemoryLimit(in int64) (out int64) {
1374         // Run on the system stack since we grab the heap lock.
1375         systemstack(func() {
1376                 lock(&mheap_.lock)
1377                 out = gcController.setMemoryLimit(in)
1378                 if in < 0 || out == in {
1379                         // If we're just checking the value or not changing
1380                         // it, there's no point in doing the rest.
1381                         unlock(&mheap_.lock)
1382                         return
1383                 }
1384                 gcControllerCommit()
1385                 unlock(&mheap_.lock)
1386         })
1387         return out
1388 }
1389
1390 func readGOMEMLIMIT() int64 {
1391         p := gogetenv("GOMEMLIMIT")
1392         if p == "" || p == "off" {
1393                 return maxInt64
1394         }
1395         n, ok := parseByteCount(p)
1396         if !ok {
1397                 print("GOMEMLIMIT=", p, "\n")
1398                 throw("malformed GOMEMLIMIT; see `go doc runtime/debug.SetMemoryLimit`")
1399         }
1400         return n
1401 }
1402
1403 type piController struct {
1404         kp float64 // Proportional constant.
1405         ti float64 // Integral time constant.
1406         tt float64 // Reset time.
1407
1408         min, max float64 // Output boundaries.
1409
1410         // PI controller state.
1411
1412         errIntegral float64 // Integral of the error from t=0 to now.
1413
1414         // Error flags.
1415         errOverflow   bool // Set if errIntegral ever overflowed.
1416         inputOverflow bool // Set if an operation with the input overflowed.
1417 }
1418
1419 // next provides a new sample to the controller.
1420 //
1421 // input is the sample, setpoint is the desired point, and period is how much
1422 // time (in whatever unit makes the most sense) has passed since the last sample.
1423 //
1424 // Returns a new value for the variable it's controlling, and whether the operation
1425 // completed successfully. One reason this might fail is if error has been growing
1426 // in an unbounded manner, to the point of overflow.
1427 //
1428 // In the specific case of an error overflow occurs, the errOverflow field will be
1429 // set and the rest of the controller's internal state will be fully reset.
1430 func (c *piController) next(input, setpoint, period float64) (float64, bool) {
1431         // Compute the raw output value.
1432         prop := c.kp * (setpoint - input)
1433         rawOutput := prop + c.errIntegral
1434
1435         // Clamp rawOutput into output.
1436         output := rawOutput
1437         if isInf(output) || isNaN(output) {
1438                 // The input had a large enough magnitude that either it was already
1439                 // overflowed, or some operation with it overflowed.
1440                 // Set a flag and reset. That's the safest thing to do.
1441                 c.reset()
1442                 c.inputOverflow = true
1443                 return c.min, false
1444         }
1445         if output < c.min {
1446                 output = c.min
1447         } else if output > c.max {
1448                 output = c.max
1449         }
1450
1451         // Update the controller's state.
1452         if c.ti != 0 && c.tt != 0 {
1453                 c.errIntegral += (c.kp*period/c.ti)*(setpoint-input) + (period/c.tt)*(output-rawOutput)
1454                 if isInf(c.errIntegral) || isNaN(c.errIntegral) {
1455                         // So much error has accumulated that we managed to overflow.
1456                         // The assumptions around the controller have likely broken down.
1457                         // Set a flag and reset. That's the safest thing to do.
1458                         c.reset()
1459                         c.errOverflow = true
1460                         return c.min, false
1461                 }
1462         }
1463         return output, true
1464 }
1465
1466 // reset resets the controller state, except for controller error flags.
1467 func (c *piController) reset() {
1468         c.errIntegral = 0
1469 }
1470
1471 // addIdleMarkWorker attempts to add a new idle mark worker.
1472 //
1473 // If this returns true, the caller must become an idle mark worker unless
1474 // there's no background mark worker goroutines in the pool. This case is
1475 // harmless because there are already background mark workers running.
1476 // If this returns false, the caller must NOT become an idle mark worker.
1477 //
1478 // nosplit because it may be called without a P.
1479 //
1480 //go:nosplit
1481 func (c *gcControllerState) addIdleMarkWorker() bool {
1482         for {
1483                 old := c.idleMarkWorkers.Load()
1484                 n, max := int32(old&uint64(^uint32(0))), int32(old>>32)
1485                 if n >= max {
1486                         // See the comment on idleMarkWorkers for why
1487                         // n > max is tolerated.
1488                         return false
1489                 }
1490                 if n < 0 {
1491                         print("n=", n, " max=", max, "\n")
1492                         throw("negative idle mark workers")
1493                 }
1494                 new := uint64(uint32(n+1)) | (uint64(max) << 32)
1495                 if c.idleMarkWorkers.CompareAndSwap(old, new) {
1496                         return true
1497                 }
1498         }
1499 }
1500
1501 // needIdleMarkWorker is a hint as to whether another idle mark worker is needed.
1502 //
1503 // The caller must still call addIdleMarkWorker to become one. This is mainly
1504 // useful for a quick check before an expensive operation.
1505 //
1506 // nosplit because it may be called without a P.
1507 //
1508 //go:nosplit
1509 func (c *gcControllerState) needIdleMarkWorker() bool {
1510         p := c.idleMarkWorkers.Load()
1511         n, max := int32(p&uint64(^uint32(0))), int32(p>>32)
1512         return n < max
1513 }
1514
1515 // removeIdleMarkWorker must be called when an new idle mark worker stops executing.
1516 func (c *gcControllerState) removeIdleMarkWorker() {
1517         for {
1518                 old := c.idleMarkWorkers.Load()
1519                 n, max := int32(old&uint64(^uint32(0))), int32(old>>32)
1520                 if n-1 < 0 {
1521                         print("n=", n, " max=", max, "\n")
1522                         throw("negative idle mark workers")
1523                 }
1524                 new := uint64(uint32(n-1)) | (uint64(max) << 32)
1525                 if c.idleMarkWorkers.CompareAndSwap(old, new) {
1526                         return
1527                 }
1528         }
1529 }
1530
1531 // setMaxIdleMarkWorkers sets the maximum number of idle mark workers allowed.
1532 //
1533 // This method is optimistic in that it does not wait for the number of
1534 // idle mark workers to reduce to max before returning; it assumes the workers
1535 // will deschedule themselves.
1536 func (c *gcControllerState) setMaxIdleMarkWorkers(max int32) {
1537         for {
1538                 old := c.idleMarkWorkers.Load()
1539                 n := int32(old & uint64(^uint32(0)))
1540                 if n < 0 {
1541                         print("n=", n, " max=", max, "\n")
1542                         throw("negative idle mark workers")
1543                 }
1544                 new := uint64(uint32(n)) | (uint64(max) << 32)
1545                 if c.idleMarkWorkers.CompareAndSwap(old, new) {
1546                         return
1547                 }
1548         }
1549 }
1550
1551 // gcControllerCommit is gcController.commit, but passes arguments from live
1552 // (non-test) data. It also updates any consumers of the GC pacing, such as
1553 // sweep pacing and the background scavenger.
1554 //
1555 // Calls gcController.commit.
1556 //
1557 // The heap lock must be held, so this must be executed on the system stack.
1558 //
1559 //go:systemstack
1560 func gcControllerCommit() {
1561         assertWorldStoppedOrLockHeld(&mheap_.lock)
1562
1563         gcController.commit(isSweepDone())
1564
1565         // Update mark pacing.
1566         if gcphase != _GCoff {
1567                 gcController.revise()
1568         }
1569
1570         // TODO(mknyszek): This isn't really accurate any longer because the heap
1571         // goal is computed dynamically. Still useful to snapshot, but not as useful.
1572         if trace.enabled {
1573                 traceHeapGoal()
1574         }
1575
1576         trigger, heapGoal := gcController.trigger()
1577         gcPaceSweeper(trigger)
1578         gcPaceScavenger(gcController.memoryLimit.Load(), heapGoal, gcController.lastHeapGoal)
1579 }