]> Cypherpunks.ru repositories - gostls13.git/blob - src/runtime/mgc.go
8a4c58888ed4745bb1e6151434160193474a2fba
[gostls13.git] / src / runtime / mgc.go
1 // Copyright 2009 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 // Garbage collector (GC).
6 //
7 // The GC runs concurrently with mutator threads, is type accurate (aka precise), allows multiple
8 // GC thread to run in parallel. It is a concurrent mark and sweep that uses a write barrier. It is
9 // non-generational and non-compacting. Allocation is done using size segregated per P allocation
10 // areas to minimize fragmentation while eliminating locks in the common case.
11 //
12 // The algorithm decomposes into several steps.
13 // This is a high level description of the algorithm being used. For an overview of GC a good
14 // place to start is Richard Jones' gchandbook.org.
15 //
16 // The algorithm's intellectual heritage includes Dijkstra's on-the-fly algorithm, see
17 // Edsger W. Dijkstra, Leslie Lamport, A. J. Martin, C. S. Scholten, and E. F. M. Steffens. 1978.
18 // On-the-fly garbage collection: an exercise in cooperation. Commun. ACM 21, 11 (November 1978),
19 // 966-975.
20 // For journal quality proofs that these steps are complete, correct, and terminate see
21 // Hudson, R., and Moss, J.E.B. Copying Garbage Collection without stopping the world.
22 // Concurrency and Computation: Practice and Experience 15(3-5), 2003.
23 //
24 // 1. GC performs sweep termination.
25 //
26 //    a. Stop the world. This causes all Ps to reach a GC safe-point.
27 //
28 //    b. Sweep any unswept spans. There will only be unswept spans if
29 //    this GC cycle was forced before the expected time.
30 //
31 // 2. GC performs the mark phase.
32 //
33 //    a. Prepare for the mark phase by setting gcphase to _GCmark
34 //    (from _GCoff), enabling the write barrier, enabling mutator
35 //    assists, and enqueueing root mark jobs. No objects may be
36 //    scanned until all Ps have enabled the write barrier, which is
37 //    accomplished using STW.
38 //
39 //    b. Start the world. From this point, GC work is done by mark
40 //    workers started by the scheduler and by assists performed as
41 //    part of allocation. The write barrier shades both the
42 //    overwritten pointer and the new pointer value for any pointer
43 //    writes (see mbarrier.go for details). Newly allocated objects
44 //    are immediately marked black.
45 //
46 //    c. GC performs root marking jobs. This includes scanning all
47 //    stacks, shading all globals, and shading any heap pointers in
48 //    off-heap runtime data structures. Scanning a stack stops a
49 //    goroutine, shades any pointers found on its stack, and then
50 //    resumes the goroutine.
51 //
52 //    d. GC drains the work queue of grey objects, scanning each grey
53 //    object to black and shading all pointers found in the object
54 //    (which in turn may add those pointers to the work queue).
55 //
56 //    e. Because GC work is spread across local caches, GC uses a
57 //    distributed termination algorithm to detect when there are no
58 //    more root marking jobs or grey objects (see gcMarkDone). At this
59 //    point, GC transitions to mark termination.
60 //
61 // 3. GC performs mark termination.
62 //
63 //    a. Stop the world.
64 //
65 //    b. Set gcphase to _GCmarktermination, and disable workers and
66 //    assists.
67 //
68 //    c. Perform housekeeping like flushing mcaches.
69 //
70 // 4. GC performs the sweep phase.
71 //
72 //    a. Prepare for the sweep phase by setting gcphase to _GCoff,
73 //    setting up sweep state and disabling the write barrier.
74 //
75 //    b. Start the world. From this point on, newly allocated objects
76 //    are white, and allocating sweeps spans before use if necessary.
77 //
78 //    c. GC does concurrent sweeping in the background and in response
79 //    to allocation. See description below.
80 //
81 // 5. When sufficient allocation has taken place, replay the sequence
82 // starting with 1 above. See discussion of GC rate below.
83
84 // Concurrent sweep.
85 //
86 // The sweep phase proceeds concurrently with normal program execution.
87 // The heap is swept span-by-span both lazily (when a goroutine needs another span)
88 // and concurrently in a background goroutine (this helps programs that are not CPU bound).
89 // At the end of STW mark termination all spans are marked as "needs sweeping".
90 //
91 // The background sweeper goroutine simply sweeps spans one-by-one.
92 //
93 // To avoid requesting more OS memory while there are unswept spans, when a
94 // goroutine needs another span, it first attempts to reclaim that much memory
95 // by sweeping. When a goroutine needs to allocate a new small-object span, it
96 // sweeps small-object spans for the same object size until it frees at least
97 // one object. When a goroutine needs to allocate large-object span from heap,
98 // it sweeps spans until it frees at least that many pages into heap. There is
99 // one case where this may not suffice: if a goroutine sweeps and frees two
100 // nonadjacent one-page spans to the heap, it will allocate a new two-page
101 // span, but there can still be other one-page unswept spans which could be
102 // combined into a two-page span.
103 //
104 // It's critical to ensure that no operations proceed on unswept spans (that would corrupt
105 // mark bits in GC bitmap). During GC all mcaches are flushed into the central cache,
106 // so they are empty. When a goroutine grabs a new span into mcache, it sweeps it.
107 // When a goroutine explicitly frees an object or sets a finalizer, it ensures that
108 // the span is swept (either by sweeping it, or by waiting for the concurrent sweep to finish).
109 // The finalizer goroutine is kicked off only when all spans are swept.
110 // When the next GC starts, it sweeps all not-yet-swept spans (if any).
111
112 // GC rate.
113 // Next GC is after we've allocated an extra amount of memory proportional to
114 // the amount already in use. The proportion is controlled by GOGC environment variable
115 // (100 by default). If GOGC=100 and we're using 4M, we'll GC again when we get to 8M
116 // (this mark is computed by the gcController.heapGoal method). This keeps the GC cost in
117 // linear proportion to the allocation cost. Adjusting GOGC just changes the linear constant
118 // (and also the amount of extra memory used).
119
120 // Oblets
121 //
122 // In order to prevent long pauses while scanning large objects and to
123 // improve parallelism, the garbage collector breaks up scan jobs for
124 // objects larger than maxObletBytes into "oblets" of at most
125 // maxObletBytes. When scanning encounters the beginning of a large
126 // object, it scans only the first oblet and enqueues the remaining
127 // oblets as new scan jobs.
128
129 package runtime
130
131 import (
132         "internal/cpu"
133         "runtime/internal/atomic"
134         "unsafe"
135 )
136
137 const (
138         _DebugGC      = 0
139         _FinBlockSize = 4 * 1024
140
141         // concurrentSweep is a debug flag. Disabling this flag
142         // ensures all spans are swept while the world is stopped.
143         concurrentSweep = true
144
145         // debugScanConservative enables debug logging for stack
146         // frames that are scanned conservatively.
147         debugScanConservative = false
148
149         // sweepMinHeapDistance is a lower bound on the heap distance
150         // (in bytes) reserved for concurrent sweeping between GC
151         // cycles.
152         sweepMinHeapDistance = 1024 * 1024
153 )
154
155 // heapObjectsCanMove always returns false in the current garbage collector.
156 // It exists for go4.org/unsafe/assume-no-moving-gc, which is an
157 // unfortunate idea that had an even more unfortunate implementation.
158 // Every time a new Go release happened, the package stopped building,
159 // and the authors had to add a new file with a new //go:build line, and
160 // then the entire ecosystem of packages with that as a dependency had to
161 // explicitly update to the new version. Many packages depend on
162 // assume-no-moving-gc transitively, through paths like
163 // inet.af/netaddr -> go4.org/intern -> assume-no-moving-gc.
164 // This was causing a significant amount of friction around each new
165 // release, so we added this bool for the package to //go:linkname
166 // instead. The bool is still unfortunate, but it's not as bad as
167 // breaking the ecosystem on every new release.
168 //
169 // If the Go garbage collector ever does move heap objects, we can set
170 // this to true to break all the programs using assume-no-moving-gc.
171 //
172 //go:linkname heapObjectsCanMove
173 func heapObjectsCanMove() bool {
174         return false
175 }
176
177 func gcinit() {
178         if unsafe.Sizeof(workbuf{}) != _WorkbufSize {
179                 throw("size of Workbuf is suboptimal")
180         }
181         // No sweep on the first cycle.
182         sweep.active.state.Store(sweepDrainedMask)
183
184         // Initialize GC pacer state.
185         // Use the environment variable GOGC for the initial gcPercent value.
186         // Use the environment variable GOMEMLIMIT for the initial memoryLimit value.
187         gcController.init(readGOGC(), readGOMEMLIMIT())
188
189         work.startSema = 1
190         work.markDoneSema = 1
191         lockInit(&work.sweepWaiters.lock, lockRankSweepWaiters)
192         lockInit(&work.assistQueue.lock, lockRankAssistQueue)
193         lockInit(&work.wbufSpans.lock, lockRankWbufSpans)
194 }
195
196 // gcenable is called after the bulk of the runtime initialization,
197 // just before we're about to start letting user code run.
198 // It kicks off the background sweeper goroutine, the background
199 // scavenger goroutine, and enables GC.
200 func gcenable() {
201         // Kick off sweeping and scavenging.
202         c := make(chan int, 2)
203         go bgsweep(c)
204         go bgscavenge(c)
205         <-c
206         <-c
207         memstats.enablegc = true // now that runtime is initialized, GC is okay
208 }
209
210 // Garbage collector phase.
211 // Indicates to write barrier and synchronization task to perform.
212 var gcphase uint32
213
214 // The compiler knows about this variable.
215 // If you change it, you must change builtin/runtime.go, too.
216 // If you change the first four bytes, you must also change the write
217 // barrier insertion code.
218 var writeBarrier struct {
219         enabled bool    // compiler emits a check of this before calling write barrier
220         pad     [3]byte // compiler uses 32-bit load for "enabled" field
221         alignme uint64  // guarantee alignment so that compiler can use a 32 or 64-bit load
222 }
223
224 // gcBlackenEnabled is 1 if mutator assists and background mark
225 // workers are allowed to blacken objects. This must only be set when
226 // gcphase == _GCmark.
227 var gcBlackenEnabled uint32
228
229 const (
230         _GCoff             = iota // GC not running; sweeping in background, write barrier disabled
231         _GCmark                   // GC marking roots and workbufs: allocate black, write barrier ENABLED
232         _GCmarktermination        // GC mark termination: allocate black, P's help GC, write barrier ENABLED
233 )
234
235 //go:nosplit
236 func setGCPhase(x uint32) {
237         atomic.Store(&gcphase, x)
238         writeBarrier.enabled = gcphase == _GCmark || gcphase == _GCmarktermination
239 }
240
241 // gcMarkWorkerMode represents the mode that a concurrent mark worker
242 // should operate in.
243 //
244 // Concurrent marking happens through four different mechanisms. One
245 // is mutator assists, which happen in response to allocations and are
246 // not scheduled. The other three are variations in the per-P mark
247 // workers and are distinguished by gcMarkWorkerMode.
248 type gcMarkWorkerMode int
249
250 const (
251         // gcMarkWorkerNotWorker indicates that the next scheduled G is not
252         // starting work and the mode should be ignored.
253         gcMarkWorkerNotWorker gcMarkWorkerMode = iota
254
255         // gcMarkWorkerDedicatedMode indicates that the P of a mark
256         // worker is dedicated to running that mark worker. The mark
257         // worker should run without preemption.
258         gcMarkWorkerDedicatedMode
259
260         // gcMarkWorkerFractionalMode indicates that a P is currently
261         // running the "fractional" mark worker. The fractional worker
262         // is necessary when GOMAXPROCS*gcBackgroundUtilization is not
263         // an integer and using only dedicated workers would result in
264         // utilization too far from the target of gcBackgroundUtilization.
265         // The fractional worker should run until it is preempted and
266         // will be scheduled to pick up the fractional part of
267         // GOMAXPROCS*gcBackgroundUtilization.
268         gcMarkWorkerFractionalMode
269
270         // gcMarkWorkerIdleMode indicates that a P is running the mark
271         // worker because it has nothing else to do. The idle worker
272         // should run until it is preempted and account its time
273         // against gcController.idleMarkTime.
274         gcMarkWorkerIdleMode
275 )
276
277 // gcMarkWorkerModeStrings are the strings labels of gcMarkWorkerModes
278 // to use in execution traces.
279 var gcMarkWorkerModeStrings = [...]string{
280         "Not worker",
281         "GC (dedicated)",
282         "GC (fractional)",
283         "GC (idle)",
284 }
285
286 // pollFractionalWorkerExit reports whether a fractional mark worker
287 // should self-preempt. It assumes it is called from the fractional
288 // worker.
289 func pollFractionalWorkerExit() bool {
290         // This should be kept in sync with the fractional worker
291         // scheduler logic in findRunnableGCWorker.
292         now := nanotime()
293         delta := now - gcController.markStartTime
294         if delta <= 0 {
295                 return true
296         }
297         p := getg().m.p.ptr()
298         selfTime := p.gcFractionalMarkTime + (now - p.gcMarkWorkerStartTime)
299         // Add some slack to the utilization goal so that the
300         // fractional worker isn't behind again the instant it exits.
301         return float64(selfTime)/float64(delta) > 1.2*gcController.fractionalUtilizationGoal
302 }
303
304 var work workType
305
306 type workType struct {
307         full  lfstack          // lock-free list of full blocks workbuf
308         _     cpu.CacheLinePad // prevents false-sharing between full and empty
309         empty lfstack          // lock-free list of empty blocks workbuf
310         _     cpu.CacheLinePad // prevents false-sharing between empty and nproc/nwait
311
312         wbufSpans struct {
313                 lock mutex
314                 // free is a list of spans dedicated to workbufs, but
315                 // that don't currently contain any workbufs.
316                 free mSpanList
317                 // busy is a list of all spans containing workbufs on
318                 // one of the workbuf lists.
319                 busy mSpanList
320         }
321
322         // Restore 64-bit alignment on 32-bit.
323         _ uint32
324
325         // bytesMarked is the number of bytes marked this cycle. This
326         // includes bytes blackened in scanned objects, noscan objects
327         // that go straight to black, and permagrey objects scanned by
328         // markroot during the concurrent scan phase. This is updated
329         // atomically during the cycle. Updates may be batched
330         // arbitrarily, since the value is only read at the end of the
331         // cycle.
332         //
333         // Because of benign races during marking, this number may not
334         // be the exact number of marked bytes, but it should be very
335         // close.
336         //
337         // Put this field here because it needs 64-bit atomic access
338         // (and thus 8-byte alignment even on 32-bit architectures).
339         bytesMarked uint64
340
341         markrootNext uint32 // next markroot job
342         markrootJobs uint32 // number of markroot jobs
343
344         nproc  uint32
345         tstart int64
346         nwait  uint32
347
348         // Number of roots of various root types. Set by gcMarkRootPrepare.
349         //
350         // nStackRoots == len(stackRoots), but we have nStackRoots for
351         // consistency.
352         nDataRoots, nBSSRoots, nSpanRoots, nStackRoots int
353
354         // Base indexes of each root type. Set by gcMarkRootPrepare.
355         baseData, baseBSS, baseSpans, baseStacks, baseEnd uint32
356
357         // stackRoots is a snapshot of all of the Gs that existed
358         // before the beginning of concurrent marking. The backing
359         // store of this must not be modified because it might be
360         // shared with allgs.
361         stackRoots []*g
362
363         // Each type of GC state transition is protected by a lock.
364         // Since multiple threads can simultaneously detect the state
365         // transition condition, any thread that detects a transition
366         // condition must acquire the appropriate transition lock,
367         // re-check the transition condition and return if it no
368         // longer holds or perform the transition if it does.
369         // Likewise, any transition must invalidate the transition
370         // condition before releasing the lock. This ensures that each
371         // transition is performed by exactly one thread and threads
372         // that need the transition to happen block until it has
373         // happened.
374         //
375         // startSema protects the transition from "off" to mark or
376         // mark termination.
377         startSema uint32
378         // markDoneSema protects transitions from mark to mark termination.
379         markDoneSema uint32
380
381         bgMarkReady note   // signal background mark worker has started
382         bgMarkDone  uint32 // cas to 1 when at a background mark completion point
383         // Background mark completion signaling
384
385         // mode is the concurrency mode of the current GC cycle.
386         mode gcMode
387
388         // userForced indicates the current GC cycle was forced by an
389         // explicit user call.
390         userForced bool
391
392         // initialHeapLive is the value of gcController.heapLive at the
393         // beginning of this GC cycle.
394         initialHeapLive uint64
395
396         // assistQueue is a queue of assists that are blocked because
397         // there was neither enough credit to steal or enough work to
398         // do.
399         assistQueue struct {
400                 lock mutex
401                 q    gQueue
402         }
403
404         // sweepWaiters is a list of blocked goroutines to wake when
405         // we transition from mark termination to sweep.
406         sweepWaiters struct {
407                 lock mutex
408                 list gList
409         }
410
411         // cycles is the number of completed GC cycles, where a GC
412         // cycle is sweep termination, mark, mark termination, and
413         // sweep. This differs from memstats.numgc, which is
414         // incremented at mark termination.
415         cycles atomic.Uint32
416
417         // Timing/utilization stats for this cycle.
418         stwprocs, maxprocs                 int32
419         tSweepTerm, tMark, tMarkTerm, tEnd int64 // nanotime() of phase start
420
421         pauseNS    int64 // total STW time this cycle
422         pauseStart int64 // nanotime() of last STW
423
424         // debug.gctrace heap sizes for this cycle.
425         heap0, heap1, heap2 uint64
426
427         // Cumulative estimated CPU usage.
428         cpuStats
429 }
430
431 // GC runs a garbage collection and blocks the caller until the
432 // garbage collection is complete. It may also block the entire
433 // program.
434 func GC() {
435         // We consider a cycle to be: sweep termination, mark, mark
436         // termination, and sweep. This function shouldn't return
437         // until a full cycle has been completed, from beginning to
438         // end. Hence, we always want to finish up the current cycle
439         // and start a new one. That means:
440         //
441         // 1. In sweep termination, mark, or mark termination of cycle
442         // N, wait until mark termination N completes and transitions
443         // to sweep N.
444         //
445         // 2. In sweep N, help with sweep N.
446         //
447         // At this point we can begin a full cycle N+1.
448         //
449         // 3. Trigger cycle N+1 by starting sweep termination N+1.
450         //
451         // 4. Wait for mark termination N+1 to complete.
452         //
453         // 5. Help with sweep N+1 until it's done.
454         //
455         // This all has to be written to deal with the fact that the
456         // GC may move ahead on its own. For example, when we block
457         // until mark termination N, we may wake up in cycle N+2.
458
459         // Wait until the current sweep termination, mark, and mark
460         // termination complete.
461         n := work.cycles.Load()
462         gcWaitOnMark(n)
463
464         // We're now in sweep N or later. Trigger GC cycle N+1, which
465         // will first finish sweep N if necessary and then enter sweep
466         // termination N+1.
467         gcStart(gcTrigger{kind: gcTriggerCycle, n: n + 1})
468
469         // Wait for mark termination N+1 to complete.
470         gcWaitOnMark(n + 1)
471
472         // Finish sweep N+1 before returning. We do this both to
473         // complete the cycle and because runtime.GC() is often used
474         // as part of tests and benchmarks to get the system into a
475         // relatively stable and isolated state.
476         for work.cycles.Load() == n+1 && sweepone() != ^uintptr(0) {
477                 Gosched()
478         }
479
480         // Callers may assume that the heap profile reflects the
481         // just-completed cycle when this returns (historically this
482         // happened because this was a STW GC), but right now the
483         // profile still reflects mark termination N, not N+1.
484         //
485         // As soon as all of the sweep frees from cycle N+1 are done,
486         // we can go ahead and publish the heap profile.
487         //
488         // First, wait for sweeping to finish. (We know there are no
489         // more spans on the sweep queue, but we may be concurrently
490         // sweeping spans, so we have to wait.)
491         for work.cycles.Load() == n+1 && !isSweepDone() {
492                 Gosched()
493         }
494
495         // Now we're really done with sweeping, so we can publish the
496         // stable heap profile. Only do this if we haven't already hit
497         // another mark termination.
498         mp := acquirem()
499         cycle := work.cycles.Load()
500         if cycle == n+1 || (gcphase == _GCmark && cycle == n+2) {
501                 mProf_PostSweep()
502         }
503         releasem(mp)
504 }
505
506 // gcWaitOnMark blocks until GC finishes the Nth mark phase. If GC has
507 // already completed this mark phase, it returns immediately.
508 func gcWaitOnMark(n uint32) {
509         for {
510                 // Disable phase transitions.
511                 lock(&work.sweepWaiters.lock)
512                 nMarks := work.cycles.Load()
513                 if gcphase != _GCmark {
514                         // We've already completed this cycle's mark.
515                         nMarks++
516                 }
517                 if nMarks > n {
518                         // We're done.
519                         unlock(&work.sweepWaiters.lock)
520                         return
521                 }
522
523                 // Wait until sweep termination, mark, and mark
524                 // termination of cycle N complete.
525                 work.sweepWaiters.list.push(getg())
526                 goparkunlock(&work.sweepWaiters.lock, waitReasonWaitForGCCycle, traceBlockUntilGCEnds, 1)
527         }
528 }
529
530 // gcMode indicates how concurrent a GC cycle should be.
531 type gcMode int
532
533 const (
534         gcBackgroundMode gcMode = iota // concurrent GC and sweep
535         gcForceMode                    // stop-the-world GC now, concurrent sweep
536         gcForceBlockMode               // stop-the-world GC now and STW sweep (forced by user)
537 )
538
539 // A gcTrigger is a predicate for starting a GC cycle. Specifically,
540 // it is an exit condition for the _GCoff phase.
541 type gcTrigger struct {
542         kind gcTriggerKind
543         now  int64  // gcTriggerTime: current time
544         n    uint32 // gcTriggerCycle: cycle number to start
545 }
546
547 type gcTriggerKind int
548
549 const (
550         // gcTriggerHeap indicates that a cycle should be started when
551         // the heap size reaches the trigger heap size computed by the
552         // controller.
553         gcTriggerHeap gcTriggerKind = iota
554
555         // gcTriggerTime indicates that a cycle should be started when
556         // it's been more than forcegcperiod nanoseconds since the
557         // previous GC cycle.
558         gcTriggerTime
559
560         // gcTriggerCycle indicates that a cycle should be started if
561         // we have not yet started cycle number gcTrigger.n (relative
562         // to work.cycles).
563         gcTriggerCycle
564 )
565
566 // test reports whether the trigger condition is satisfied, meaning
567 // that the exit condition for the _GCoff phase has been met. The exit
568 // condition should be tested when allocating.
569 func (t gcTrigger) test() bool {
570         if !memstats.enablegc || panicking.Load() != 0 || gcphase != _GCoff {
571                 return false
572         }
573         switch t.kind {
574         case gcTriggerHeap:
575                 trigger, _ := gcController.trigger()
576                 return gcController.heapLive.Load() >= trigger
577         case gcTriggerTime:
578                 if gcController.gcPercent.Load() < 0 {
579                         return false
580                 }
581                 lastgc := int64(atomic.Load64(&memstats.last_gc_nanotime))
582                 return lastgc != 0 && t.now-lastgc > forcegcperiod
583         case gcTriggerCycle:
584                 // t.n > work.cycles, but accounting for wraparound.
585                 return int32(t.n-work.cycles.Load()) > 0
586         }
587         return true
588 }
589
590 // gcStart starts the GC. It transitions from _GCoff to _GCmark (if
591 // debug.gcstoptheworld == 0) or performs all of GC (if
592 // debug.gcstoptheworld != 0).
593 //
594 // This may return without performing this transition in some cases,
595 // such as when called on a system stack or with locks held.
596 func gcStart(trigger gcTrigger) {
597         // Since this is called from malloc and malloc is called in
598         // the guts of a number of libraries that might be holding
599         // locks, don't attempt to start GC in non-preemptible or
600         // potentially unstable situations.
601         mp := acquirem()
602         if gp := getg(); gp == mp.g0 || mp.locks > 1 || mp.preemptoff != "" {
603                 releasem(mp)
604                 return
605         }
606         releasem(mp)
607         mp = nil
608
609         // Pick up the remaining unswept/not being swept spans concurrently
610         //
611         // This shouldn't happen if we're being invoked in background
612         // mode since proportional sweep should have just finished
613         // sweeping everything, but rounding errors, etc, may leave a
614         // few spans unswept. In forced mode, this is necessary since
615         // GC can be forced at any point in the sweeping cycle.
616         //
617         // We check the transition condition continuously here in case
618         // this G gets delayed in to the next GC cycle.
619         for trigger.test() && sweepone() != ^uintptr(0) {
620         }
621
622         // Perform GC initialization and the sweep termination
623         // transition.
624         semacquire(&work.startSema)
625         // Re-check transition condition under transition lock.
626         if !trigger.test() {
627                 semrelease(&work.startSema)
628                 return
629         }
630
631         // In gcstoptheworld debug mode, upgrade the mode accordingly.
632         // We do this after re-checking the transition condition so
633         // that multiple goroutines that detect the heap trigger don't
634         // start multiple STW GCs.
635         mode := gcBackgroundMode
636         if debug.gcstoptheworld == 1 {
637                 mode = gcForceMode
638         } else if debug.gcstoptheworld == 2 {
639                 mode = gcForceBlockMode
640         }
641
642         // Ok, we're doing it! Stop everybody else
643         semacquire(&gcsema)
644         semacquire(&worldsema)
645
646         // For stats, check if this GC was forced by the user.
647         // Update it under gcsema to avoid gctrace getting wrong values.
648         work.userForced = trigger.kind == gcTriggerCycle
649
650         if traceEnabled() {
651                 traceGCStart()
652         }
653
654         // Check that all Ps have finished deferred mcache flushes.
655         for _, p := range allp {
656                 if fg := p.mcache.flushGen.Load(); fg != mheap_.sweepgen {
657                         println("runtime: p", p.id, "flushGen", fg, "!= sweepgen", mheap_.sweepgen)
658                         throw("p mcache not flushed")
659                 }
660         }
661
662         gcBgMarkStartWorkers()
663
664         systemstack(gcResetMarkState)
665
666         work.stwprocs, work.maxprocs = gomaxprocs, gomaxprocs
667         if work.stwprocs > ncpu {
668                 // This is used to compute CPU time of the STW phases,
669                 // so it can't be more than ncpu, even if GOMAXPROCS is.
670                 work.stwprocs = ncpu
671         }
672         work.heap0 = gcController.heapLive.Load()
673         work.pauseNS = 0
674         work.mode = mode
675
676         now := nanotime()
677         work.tSweepTerm = now
678         work.pauseStart = now
679         systemstack(func() { stopTheWorldWithSema(stwGCSweepTerm) })
680         // Finish sweep before we start concurrent scan.
681         systemstack(func() {
682                 finishsweep_m()
683         })
684
685         // clearpools before we start the GC. If we wait the memory will not be
686         // reclaimed until the next GC cycle.
687         clearpools()
688
689         work.cycles.Add(1)
690
691         // Assists and workers can start the moment we start
692         // the world.
693         gcController.startCycle(now, int(gomaxprocs), trigger)
694
695         // Notify the CPU limiter that assists may begin.
696         gcCPULimiter.startGCTransition(true, now)
697
698         // In STW mode, disable scheduling of user Gs. This may also
699         // disable scheduling of this goroutine, so it may block as
700         // soon as we start the world again.
701         if mode != gcBackgroundMode {
702                 schedEnableUser(false)
703         }
704
705         // Enter concurrent mark phase and enable
706         // write barriers.
707         //
708         // Because the world is stopped, all Ps will
709         // observe that write barriers are enabled by
710         // the time we start the world and begin
711         // scanning.
712         //
713         // Write barriers must be enabled before assists are
714         // enabled because they must be enabled before
715         // any non-leaf heap objects are marked. Since
716         // allocations are blocked until assists can
717         // happen, we want to enable assists as early as
718         // possible.
719         setGCPhase(_GCmark)
720
721         gcBgMarkPrepare() // Must happen before assists are enabled.
722         gcMarkRootPrepare()
723
724         // Mark all active tinyalloc blocks. Since we're
725         // allocating from these, they need to be black like
726         // other allocations. The alternative is to blacken
727         // the tiny block on every allocation from it, which
728         // would slow down the tiny allocator.
729         gcMarkTinyAllocs()
730
731         // At this point all Ps have enabled the write
732         // barrier, thus maintaining the no white to
733         // black invariant. Enable mutator assists to
734         // put back-pressure on fast allocating
735         // mutators.
736         atomic.Store(&gcBlackenEnabled, 1)
737
738         // In STW mode, we could block the instant systemstack
739         // returns, so make sure we're not preemptible.
740         mp = acquirem()
741
742         // Concurrent mark.
743         systemstack(func() {
744                 now = startTheWorldWithSema()
745                 work.pauseNS += now - work.pauseStart
746                 work.tMark = now
747                 memstats.gcPauseDist.record(now - work.pauseStart)
748
749                 sweepTermCpu := int64(work.stwprocs) * (work.tMark - work.tSweepTerm)
750                 work.cpuStats.gcPauseTime += sweepTermCpu
751                 work.cpuStats.gcTotalTime += sweepTermCpu
752
753                 // Release the CPU limiter.
754                 gcCPULimiter.finishGCTransition(now)
755         })
756
757         // Release the world sema before Gosched() in STW mode
758         // because we will need to reacquire it later but before
759         // this goroutine becomes runnable again, and we could
760         // self-deadlock otherwise.
761         semrelease(&worldsema)
762         releasem(mp)
763
764         // Make sure we block instead of returning to user code
765         // in STW mode.
766         if mode != gcBackgroundMode {
767                 Gosched()
768         }
769
770         semrelease(&work.startSema)
771 }
772
773 // gcMarkDoneFlushed counts the number of P's with flushed work.
774 //
775 // Ideally this would be a captured local in gcMarkDone, but forEachP
776 // escapes its callback closure, so it can't capture anything.
777 //
778 // This is protected by markDoneSema.
779 var gcMarkDoneFlushed uint32
780
781 // gcMarkDone transitions the GC from mark to mark termination if all
782 // reachable objects have been marked (that is, there are no grey
783 // objects and can be no more in the future). Otherwise, it flushes
784 // all local work to the global queues where it can be discovered by
785 // other workers.
786 //
787 // This should be called when all local mark work has been drained and
788 // there are no remaining workers. Specifically, when
789 //
790 //      work.nwait == work.nproc && !gcMarkWorkAvailable(p)
791 //
792 // The calling context must be preemptible.
793 //
794 // Flushing local work is important because idle Ps may have local
795 // work queued. This is the only way to make that work visible and
796 // drive GC to completion.
797 //
798 // It is explicitly okay to have write barriers in this function. If
799 // it does transition to mark termination, then all reachable objects
800 // have been marked, so the write barrier cannot shade any more
801 // objects.
802 func gcMarkDone() {
803         // Ensure only one thread is running the ragged barrier at a
804         // time.
805         semacquire(&work.markDoneSema)
806
807 top:
808         // Re-check transition condition under transition lock.
809         //
810         // It's critical that this checks the global work queues are
811         // empty before performing the ragged barrier. Otherwise,
812         // there could be global work that a P could take after the P
813         // has passed the ragged barrier.
814         if !(gcphase == _GCmark && work.nwait == work.nproc && !gcMarkWorkAvailable(nil)) {
815                 semrelease(&work.markDoneSema)
816                 return
817         }
818
819         // forEachP needs worldsema to execute, and we'll need it to
820         // stop the world later, so acquire worldsema now.
821         semacquire(&worldsema)
822
823         // Flush all local buffers and collect flushedWork flags.
824         gcMarkDoneFlushed = 0
825         systemstack(func() {
826                 gp := getg().m.curg
827                 // Mark the user stack as preemptible so that it may be scanned.
828                 // Otherwise, our attempt to force all P's to a safepoint could
829                 // result in a deadlock as we attempt to preempt a worker that's
830                 // trying to preempt us (e.g. for a stack scan).
831                 casGToWaiting(gp, _Grunning, waitReasonGCMarkTermination)
832                 forEachP(func(pp *p) {
833                         // Flush the write barrier buffer, since this may add
834                         // work to the gcWork.
835                         wbBufFlush1(pp)
836
837                         // Flush the gcWork, since this may create global work
838                         // and set the flushedWork flag.
839                         //
840                         // TODO(austin): Break up these workbufs to
841                         // better distribute work.
842                         pp.gcw.dispose()
843                         // Collect the flushedWork flag.
844                         if pp.gcw.flushedWork {
845                                 atomic.Xadd(&gcMarkDoneFlushed, 1)
846                                 pp.gcw.flushedWork = false
847                         }
848                 })
849                 casgstatus(gp, _Gwaiting, _Grunning)
850         })
851
852         if gcMarkDoneFlushed != 0 {
853                 // More grey objects were discovered since the
854                 // previous termination check, so there may be more
855                 // work to do. Keep going. It's possible the
856                 // transition condition became true again during the
857                 // ragged barrier, so re-check it.
858                 semrelease(&worldsema)
859                 goto top
860         }
861
862         // There was no global work, no local work, and no Ps
863         // communicated work since we took markDoneSema. Therefore
864         // there are no grey objects and no more objects can be
865         // shaded. Transition to mark termination.
866         now := nanotime()
867         work.tMarkTerm = now
868         work.pauseStart = now
869         getg().m.preemptoff = "gcing"
870         systemstack(func() { stopTheWorldWithSema(stwGCMarkTerm) })
871         // The gcphase is _GCmark, it will transition to _GCmarktermination
872         // below. The important thing is that the wb remains active until
873         // all marking is complete. This includes writes made by the GC.
874
875         // There is sometimes work left over when we enter mark termination due
876         // to write barriers performed after the completion barrier above.
877         // Detect this and resume concurrent mark. This is obviously
878         // unfortunate.
879         //
880         // See issue #27993 for details.
881         //
882         // Switch to the system stack to call wbBufFlush1, though in this case
883         // it doesn't matter because we're non-preemptible anyway.
884         restart := false
885         systemstack(func() {
886                 for _, p := range allp {
887                         wbBufFlush1(p)
888                         if !p.gcw.empty() {
889                                 restart = true
890                                 break
891                         }
892                 }
893         })
894         if restart {
895                 getg().m.preemptoff = ""
896                 systemstack(func() {
897                         now := startTheWorldWithSema()
898                         work.pauseNS += now - work.pauseStart
899                         memstats.gcPauseDist.record(now - work.pauseStart)
900                 })
901                 semrelease(&worldsema)
902                 goto top
903         }
904
905         gcComputeStartingStackSize()
906
907         // Disable assists and background workers. We must do
908         // this before waking blocked assists.
909         atomic.Store(&gcBlackenEnabled, 0)
910
911         // Notify the CPU limiter that GC assists will now cease.
912         gcCPULimiter.startGCTransition(false, now)
913
914         // Wake all blocked assists. These will run when we
915         // start the world again.
916         gcWakeAllAssists()
917
918         // Likewise, release the transition lock. Blocked
919         // workers and assists will run when we start the
920         // world again.
921         semrelease(&work.markDoneSema)
922
923         // In STW mode, re-enable user goroutines. These will be
924         // queued to run after we start the world.
925         schedEnableUser(true)
926
927         // endCycle depends on all gcWork cache stats being flushed.
928         // The termination algorithm above ensured that up to
929         // allocations since the ragged barrier.
930         gcController.endCycle(now, int(gomaxprocs), work.userForced)
931
932         // Perform mark termination. This will restart the world.
933         gcMarkTermination()
934 }
935
936 // World must be stopped and mark assists and background workers must be
937 // disabled.
938 func gcMarkTermination() {
939         // Start marktermination (write barrier remains enabled for now).
940         setGCPhase(_GCmarktermination)
941
942         work.heap1 = gcController.heapLive.Load()
943         startTime := nanotime()
944
945         mp := acquirem()
946         mp.preemptoff = "gcing"
947         mp.traceback = 2
948         curgp := mp.curg
949         casGToWaiting(curgp, _Grunning, waitReasonGarbageCollection)
950
951         // Run gc on the g0 stack. We do this so that the g stack
952         // we're currently running on will no longer change. Cuts
953         // the root set down a bit (g0 stacks are not scanned, and
954         // we don't need to scan gc's internal state).  We also
955         // need to switch to g0 so we can shrink the stack.
956         systemstack(func() {
957                 gcMark(startTime)
958                 // Must return immediately.
959                 // The outer function's stack may have moved
960                 // during gcMark (it shrinks stacks, including the
961                 // outer function's stack), so we must not refer
962                 // to any of its variables. Return back to the
963                 // non-system stack to pick up the new addresses
964                 // before continuing.
965         })
966
967         var stwSwept bool
968         systemstack(func() {
969                 work.heap2 = work.bytesMarked
970                 if debug.gccheckmark > 0 {
971                         // Run a full non-parallel, stop-the-world
972                         // mark using checkmark bits, to check that we
973                         // didn't forget to mark anything during the
974                         // concurrent mark process.
975                         startCheckmarks()
976                         gcResetMarkState()
977                         gcw := &getg().m.p.ptr().gcw
978                         gcDrain(gcw, 0)
979                         wbBufFlush1(getg().m.p.ptr())
980                         gcw.dispose()
981                         endCheckmarks()
982                 }
983
984                 // marking is complete so we can turn the write barrier off
985                 setGCPhase(_GCoff)
986                 stwSwept = gcSweep(work.mode)
987         })
988
989         mp.traceback = 0
990         casgstatus(curgp, _Gwaiting, _Grunning)
991
992         if traceEnabled() {
993                 traceGCDone()
994         }
995
996         // all done
997         mp.preemptoff = ""
998
999         if gcphase != _GCoff {
1000                 throw("gc done but gcphase != _GCoff")
1001         }
1002
1003         // Record heapInUse for scavenger.
1004         memstats.lastHeapInUse = gcController.heapInUse.load()
1005
1006         // Update GC trigger and pacing, as well as downstream consumers
1007         // of this pacing information, for the next cycle.
1008         systemstack(gcControllerCommit)
1009
1010         // Update timing memstats
1011         now := nanotime()
1012         sec, nsec, _ := time_now()
1013         unixNow := sec*1e9 + int64(nsec)
1014         work.pauseNS += now - work.pauseStart
1015         work.tEnd = now
1016         memstats.gcPauseDist.record(now - work.pauseStart)
1017         atomic.Store64(&memstats.last_gc_unix, uint64(unixNow)) // must be Unix time to make sense to user
1018         atomic.Store64(&memstats.last_gc_nanotime, uint64(now)) // monotonic time for us
1019         memstats.pause_ns[memstats.numgc%uint32(len(memstats.pause_ns))] = uint64(work.pauseNS)
1020         memstats.pause_end[memstats.numgc%uint32(len(memstats.pause_end))] = uint64(unixNow)
1021         memstats.pause_total_ns += uint64(work.pauseNS)
1022
1023         markTermCpu := int64(work.stwprocs) * (work.tEnd - work.tMarkTerm)
1024         work.cpuStats.gcPauseTime += markTermCpu
1025         work.cpuStats.gcTotalTime += markTermCpu
1026
1027         // Accumulate CPU stats.
1028         //
1029         // Pass gcMarkPhase=true so we can get all the latest GC CPU stats in there too.
1030         work.cpuStats.accumulate(now, true)
1031
1032         // Compute overall GC CPU utilization.
1033         // Omit idle marking time from the overall utilization here since it's "free".
1034         memstats.gc_cpu_fraction = float64(work.cpuStats.gcTotalTime-work.cpuStats.gcIdleTime) / float64(work.cpuStats.totalTime)
1035
1036         // Reset assist time and background time stats.
1037         //
1038         // Do this now, instead of at the start of the next GC cycle, because
1039         // these two may keep accumulating even if the GC is not active.
1040         scavenge.assistTime.Store(0)
1041         scavenge.backgroundTime.Store(0)
1042
1043         // Reset idle time stat.
1044         sched.idleTime.Store(0)
1045
1046         if work.userForced {
1047                 memstats.numforcedgc++
1048         }
1049
1050         // Bump GC cycle count and wake goroutines waiting on sweep.
1051         lock(&work.sweepWaiters.lock)
1052         memstats.numgc++
1053         injectglist(&work.sweepWaiters.list)
1054         unlock(&work.sweepWaiters.lock)
1055
1056         // Increment the scavenge generation now.
1057         //
1058         // This moment represents peak heap in use because we're
1059         // about to start sweeping.
1060         mheap_.pages.scav.index.nextGen()
1061
1062         // Release the CPU limiter.
1063         gcCPULimiter.finishGCTransition(now)
1064
1065         // Finish the current heap profiling cycle and start a new
1066         // heap profiling cycle. We do this before starting the world
1067         // so events don't leak into the wrong cycle.
1068         mProf_NextCycle()
1069
1070         // There may be stale spans in mcaches that need to be swept.
1071         // Those aren't tracked in any sweep lists, so we need to
1072         // count them against sweep completion until we ensure all
1073         // those spans have been forced out.
1074         //
1075         // If gcSweep fully swept the heap (for example if the sweep
1076         // is not concurrent due to a GODEBUG setting), then we expect
1077         // the sweepLocker to be invalid, since sweeping is done.
1078         //
1079         // N.B. Below we might duplicate some work from gcSweep; this is
1080         // fine as all that work is idempotent within a GC cycle, and
1081         // we're still holding worldsema so a new cycle can't start.
1082         sl := sweep.active.begin()
1083         if !stwSwept && !sl.valid {
1084                 throw("failed to set sweep barrier")
1085         } else if stwSwept && sl.valid {
1086                 throw("non-concurrent sweep failed to drain all sweep queues")
1087         }
1088
1089         systemstack(func() { startTheWorldWithSema() })
1090
1091         // Flush the heap profile so we can start a new cycle next GC.
1092         // This is relatively expensive, so we don't do it with the
1093         // world stopped.
1094         mProf_Flush()
1095
1096         // Prepare workbufs for freeing by the sweeper. We do this
1097         // asynchronously because it can take non-trivial time.
1098         prepareFreeWorkbufs()
1099
1100         // Free stack spans. This must be done between GC cycles.
1101         systemstack(freeStackSpans)
1102
1103         // Ensure all mcaches are flushed. Each P will flush its own
1104         // mcache before allocating, but idle Ps may not. Since this
1105         // is necessary to sweep all spans, we need to ensure all
1106         // mcaches are flushed before we start the next GC cycle.
1107         //
1108         // While we're here, flush the page cache for idle Ps to avoid
1109         // having pages get stuck on them. These pages are hidden from
1110         // the scavenger, so in small idle heaps a significant amount
1111         // of additional memory might be held onto.
1112         //
1113         // Also, flush the pinner cache, to avoid leaking that memory
1114         // indefinitely.
1115         systemstack(func() {
1116                 forEachP(func(pp *p) {
1117                         pp.mcache.prepareForSweep()
1118                         if pp.status == _Pidle {
1119                                 systemstack(func() {
1120                                         lock(&mheap_.lock)
1121                                         pp.pcache.flush(&mheap_.pages)
1122                                         unlock(&mheap_.lock)
1123                                 })
1124                         }
1125                         pp.pinnerCache = nil
1126                 })
1127         })
1128         if sl.valid {
1129                 // Now that we've swept stale spans in mcaches, they don't
1130                 // count against unswept spans.
1131                 //
1132                 // Note: this sweepLocker may not be valid if sweeping had
1133                 // already completed during the STW. See the corresponding
1134                 // begin() call that produced sl.
1135                 sweep.active.end(sl)
1136         }
1137
1138         // Print gctrace before dropping worldsema. As soon as we drop
1139         // worldsema another cycle could start and smash the stats
1140         // we're trying to print.
1141         if debug.gctrace > 0 {
1142                 util := int(memstats.gc_cpu_fraction * 100)
1143
1144                 var sbuf [24]byte
1145                 printlock()
1146                 print("gc ", memstats.numgc,
1147                         " @", string(itoaDiv(sbuf[:], uint64(work.tSweepTerm-runtimeInitTime)/1e6, 3)), "s ",
1148                         util, "%: ")
1149                 prev := work.tSweepTerm
1150                 for i, ns := range []int64{work.tMark, work.tMarkTerm, work.tEnd} {
1151                         if i != 0 {
1152                                 print("+")
1153                         }
1154                         print(string(fmtNSAsMS(sbuf[:], uint64(ns-prev))))
1155                         prev = ns
1156                 }
1157                 print(" ms clock, ")
1158                 for i, ns := range []int64{
1159                         int64(work.stwprocs) * (work.tMark - work.tSweepTerm),
1160                         gcController.assistTime.Load(),
1161                         gcController.dedicatedMarkTime.Load() + gcController.fractionalMarkTime.Load(),
1162                         gcController.idleMarkTime.Load(),
1163                         markTermCpu,
1164                 } {
1165                         if i == 2 || i == 3 {
1166                                 // Separate mark time components with /.
1167                                 print("/")
1168                         } else if i != 0 {
1169                                 print("+")
1170                         }
1171                         print(string(fmtNSAsMS(sbuf[:], uint64(ns))))
1172                 }
1173                 print(" ms cpu, ",
1174                         work.heap0>>20, "->", work.heap1>>20, "->", work.heap2>>20, " MB, ",
1175                         gcController.lastHeapGoal>>20, " MB goal, ",
1176                         gcController.lastStackScan.Load()>>20, " MB stacks, ",
1177                         gcController.globalsScan.Load()>>20, " MB globals, ",
1178                         work.maxprocs, " P")
1179                 if work.userForced {
1180                         print(" (forced)")
1181                 }
1182                 print("\n")
1183                 printunlock()
1184         }
1185
1186         // Set any arena chunks that were deferred to fault.
1187         lock(&userArenaState.lock)
1188         faultList := userArenaState.fault
1189         userArenaState.fault = nil
1190         unlock(&userArenaState.lock)
1191         for _, lc := range faultList {
1192                 lc.mspan.setUserArenaChunkToFault()
1193         }
1194
1195         // Enable huge pages on some metadata if we cross a heap threshold.
1196         if gcController.heapGoal() > minHeapForMetadataHugePages {
1197                 mheap_.enableMetadataHugePages()
1198         }
1199
1200         semrelease(&worldsema)
1201         semrelease(&gcsema)
1202         // Careful: another GC cycle may start now.
1203
1204         releasem(mp)
1205         mp = nil
1206
1207         // now that gc is done, kick off finalizer thread if needed
1208         if !concurrentSweep {
1209                 // give the queued finalizers, if any, a chance to run
1210                 Gosched()
1211         }
1212 }
1213
1214 // gcBgMarkStartWorkers prepares background mark worker goroutines. These
1215 // goroutines will not run until the mark phase, but they must be started while
1216 // the work is not stopped and from a regular G stack. The caller must hold
1217 // worldsema.
1218 func gcBgMarkStartWorkers() {
1219         // Background marking is performed by per-P G's. Ensure that each P has
1220         // a background GC G.
1221         //
1222         // Worker Gs don't exit if gomaxprocs is reduced. If it is raised
1223         // again, we can reuse the old workers; no need to create new workers.
1224         for gcBgMarkWorkerCount < gomaxprocs {
1225                 go gcBgMarkWorker()
1226
1227                 notetsleepg(&work.bgMarkReady, -1)
1228                 noteclear(&work.bgMarkReady)
1229                 // The worker is now guaranteed to be added to the pool before
1230                 // its P's next findRunnableGCWorker.
1231
1232                 gcBgMarkWorkerCount++
1233         }
1234 }
1235
1236 // gcBgMarkPrepare sets up state for background marking.
1237 // Mutator assists must not yet be enabled.
1238 func gcBgMarkPrepare() {
1239         // Background marking will stop when the work queues are empty
1240         // and there are no more workers (note that, since this is
1241         // concurrent, this may be a transient state, but mark
1242         // termination will clean it up). Between background workers
1243         // and assists, we don't really know how many workers there
1244         // will be, so we pretend to have an arbitrarily large number
1245         // of workers, almost all of which are "waiting". While a
1246         // worker is working it decrements nwait. If nproc == nwait,
1247         // there are no workers.
1248         work.nproc = ^uint32(0)
1249         work.nwait = ^uint32(0)
1250 }
1251
1252 // gcBgMarkWorkerNode is an entry in the gcBgMarkWorkerPool. It points to a single
1253 // gcBgMarkWorker goroutine.
1254 type gcBgMarkWorkerNode struct {
1255         // Unused workers are managed in a lock-free stack. This field must be first.
1256         node lfnode
1257
1258         // The g of this worker.
1259         gp guintptr
1260
1261         // Release this m on park. This is used to communicate with the unlock
1262         // function, which cannot access the G's stack. It is unused outside of
1263         // gcBgMarkWorker().
1264         m muintptr
1265 }
1266
1267 func gcBgMarkWorker() {
1268         gp := getg()
1269
1270         // We pass node to a gopark unlock function, so it can't be on
1271         // the stack (see gopark). Prevent deadlock from recursively
1272         // starting GC by disabling preemption.
1273         gp.m.preemptoff = "GC worker init"
1274         node := new(gcBgMarkWorkerNode)
1275         gp.m.preemptoff = ""
1276
1277         node.gp.set(gp)
1278
1279         node.m.set(acquirem())
1280         notewakeup(&work.bgMarkReady)
1281         // After this point, the background mark worker is generally scheduled
1282         // cooperatively by gcController.findRunnableGCWorker. While performing
1283         // work on the P, preemption is disabled because we are working on
1284         // P-local work buffers. When the preempt flag is set, this puts itself
1285         // into _Gwaiting to be woken up by gcController.findRunnableGCWorker
1286         // at the appropriate time.
1287         //
1288         // When preemption is enabled (e.g., while in gcMarkDone), this worker
1289         // may be preempted and schedule as a _Grunnable G from a runq. That is
1290         // fine; it will eventually gopark again for further scheduling via
1291         // findRunnableGCWorker.
1292         //
1293         // Since we disable preemption before notifying bgMarkReady, we
1294         // guarantee that this G will be in the worker pool for the next
1295         // findRunnableGCWorker. This isn't strictly necessary, but it reduces
1296         // latency between _GCmark starting and the workers starting.
1297
1298         for {
1299                 // Go to sleep until woken by
1300                 // gcController.findRunnableGCWorker.
1301                 gopark(func(g *g, nodep unsafe.Pointer) bool {
1302                         node := (*gcBgMarkWorkerNode)(nodep)
1303
1304                         if mp := node.m.ptr(); mp != nil {
1305                                 // The worker G is no longer running; release
1306                                 // the M.
1307                                 //
1308                                 // N.B. it is _safe_ to release the M as soon
1309                                 // as we are no longer performing P-local mark
1310                                 // work.
1311                                 //
1312                                 // However, since we cooperatively stop work
1313                                 // when gp.preempt is set, if we releasem in
1314                                 // the loop then the following call to gopark
1315                                 // would immediately preempt the G. This is
1316                                 // also safe, but inefficient: the G must
1317                                 // schedule again only to enter gopark and park
1318                                 // again. Thus, we defer the release until
1319                                 // after parking the G.
1320                                 releasem(mp)
1321                         }
1322
1323                         // Release this G to the pool.
1324                         gcBgMarkWorkerPool.push(&node.node)
1325                         // Note that at this point, the G may immediately be
1326                         // rescheduled and may be running.
1327                         return true
1328                 }, unsafe.Pointer(node), waitReasonGCWorkerIdle, traceBlockSystemGoroutine, 0)
1329
1330                 // Preemption must not occur here, or another G might see
1331                 // p.gcMarkWorkerMode.
1332
1333                 // Disable preemption so we can use the gcw. If the
1334                 // scheduler wants to preempt us, we'll stop draining,
1335                 // dispose the gcw, and then preempt.
1336                 node.m.set(acquirem())
1337                 pp := gp.m.p.ptr() // P can't change with preemption disabled.
1338
1339                 if gcBlackenEnabled == 0 {
1340                         println("worker mode", pp.gcMarkWorkerMode)
1341                         throw("gcBgMarkWorker: blackening not enabled")
1342                 }
1343
1344                 if pp.gcMarkWorkerMode == gcMarkWorkerNotWorker {
1345                         throw("gcBgMarkWorker: mode not set")
1346                 }
1347
1348                 startTime := nanotime()
1349                 pp.gcMarkWorkerStartTime = startTime
1350                 var trackLimiterEvent bool
1351                 if pp.gcMarkWorkerMode == gcMarkWorkerIdleMode {
1352                         trackLimiterEvent = pp.limiterEvent.start(limiterEventIdleMarkWork, startTime)
1353                 }
1354
1355                 decnwait := atomic.Xadd(&work.nwait, -1)
1356                 if decnwait == work.nproc {
1357                         println("runtime: work.nwait=", decnwait, "work.nproc=", work.nproc)
1358                         throw("work.nwait was > work.nproc")
1359                 }
1360
1361                 systemstack(func() {
1362                         // Mark our goroutine preemptible so its stack
1363                         // can be scanned. This lets two mark workers
1364                         // scan each other (otherwise, they would
1365                         // deadlock). We must not modify anything on
1366                         // the G stack. However, stack shrinking is
1367                         // disabled for mark workers, so it is safe to
1368                         // read from the G stack.
1369                         casGToWaiting(gp, _Grunning, waitReasonGCWorkerActive)
1370                         switch pp.gcMarkWorkerMode {
1371                         default:
1372                                 throw("gcBgMarkWorker: unexpected gcMarkWorkerMode")
1373                         case gcMarkWorkerDedicatedMode:
1374                                 gcDrainMarkWorkerDedicated(&pp.gcw, true)
1375                                 if gp.preempt {
1376                                         // We were preempted. This is
1377                                         // a useful signal to kick
1378                                         // everything out of the run
1379                                         // queue so it can run
1380                                         // somewhere else.
1381                                         if drainQ, n := runqdrain(pp); n > 0 {
1382                                                 lock(&sched.lock)
1383                                                 globrunqputbatch(&drainQ, int32(n))
1384                                                 unlock(&sched.lock)
1385                                         }
1386                                 }
1387                                 // Go back to draining, this time
1388                                 // without preemption.
1389                                 gcDrainMarkWorkerDedicated(&pp.gcw, false)
1390                         case gcMarkWorkerFractionalMode:
1391                                 gcDrainMarkWorkerFractional(&pp.gcw)
1392                         case gcMarkWorkerIdleMode:
1393                                 gcDrainMarkWorkerIdle(&pp.gcw)
1394                         }
1395                         casgstatus(gp, _Gwaiting, _Grunning)
1396                 })
1397
1398                 // Account for time and mark us as stopped.
1399                 now := nanotime()
1400                 duration := now - startTime
1401                 gcController.markWorkerStop(pp.gcMarkWorkerMode, duration)
1402                 if trackLimiterEvent {
1403                         pp.limiterEvent.stop(limiterEventIdleMarkWork, now)
1404                 }
1405                 if pp.gcMarkWorkerMode == gcMarkWorkerFractionalMode {
1406                         atomic.Xaddint64(&pp.gcFractionalMarkTime, duration)
1407                 }
1408
1409                 // Was this the last worker and did we run out
1410                 // of work?
1411                 incnwait := atomic.Xadd(&work.nwait, +1)
1412                 if incnwait > work.nproc {
1413                         println("runtime: p.gcMarkWorkerMode=", pp.gcMarkWorkerMode,
1414                                 "work.nwait=", incnwait, "work.nproc=", work.nproc)
1415                         throw("work.nwait > work.nproc")
1416                 }
1417
1418                 // We'll releasem after this point and thus this P may run
1419                 // something else. We must clear the worker mode to avoid
1420                 // attributing the mode to a different (non-worker) G in
1421                 // traceGoStart.
1422                 pp.gcMarkWorkerMode = gcMarkWorkerNotWorker
1423
1424                 // If this worker reached a background mark completion
1425                 // point, signal the main GC goroutine.
1426                 if incnwait == work.nproc && !gcMarkWorkAvailable(nil) {
1427                         // We don't need the P-local buffers here, allow
1428                         // preemption because we may schedule like a regular
1429                         // goroutine in gcMarkDone (block on locks, etc).
1430                         releasem(node.m.ptr())
1431                         node.m.set(nil)
1432
1433                         gcMarkDone()
1434                 }
1435         }
1436 }
1437
1438 // gcMarkWorkAvailable reports whether executing a mark worker
1439 // on p is potentially useful. p may be nil, in which case it only
1440 // checks the global sources of work.
1441 func gcMarkWorkAvailable(p *p) bool {
1442         if p != nil && !p.gcw.empty() {
1443                 return true
1444         }
1445         if !work.full.empty() {
1446                 return true // global work available
1447         }
1448         if work.markrootNext < work.markrootJobs {
1449                 return true // root scan work available
1450         }
1451         return false
1452 }
1453
1454 // gcMark runs the mark (or, for concurrent GC, mark termination)
1455 // All gcWork caches must be empty.
1456 // STW is in effect at this point.
1457 func gcMark(startTime int64) {
1458         if debug.allocfreetrace > 0 {
1459                 tracegc()
1460         }
1461
1462         if gcphase != _GCmarktermination {
1463                 throw("in gcMark expecting to see gcphase as _GCmarktermination")
1464         }
1465         work.tstart = startTime
1466
1467         // Check that there's no marking work remaining.
1468         if work.full != 0 || work.markrootNext < work.markrootJobs {
1469                 print("runtime: full=", hex(work.full), " next=", work.markrootNext, " jobs=", work.markrootJobs, " nDataRoots=", work.nDataRoots, " nBSSRoots=", work.nBSSRoots, " nSpanRoots=", work.nSpanRoots, " nStackRoots=", work.nStackRoots, "\n")
1470                 panic("non-empty mark queue after concurrent mark")
1471         }
1472
1473         if debug.gccheckmark > 0 {
1474                 // This is expensive when there's a large number of
1475                 // Gs, so only do it if checkmark is also enabled.
1476                 gcMarkRootCheck()
1477         }
1478
1479         // Drop allg snapshot. allgs may have grown, in which case
1480         // this is the only reference to the old backing store and
1481         // there's no need to keep it around.
1482         work.stackRoots = nil
1483
1484         // Clear out buffers and double-check that all gcWork caches
1485         // are empty. This should be ensured by gcMarkDone before we
1486         // enter mark termination.
1487         //
1488         // TODO: We could clear out buffers just before mark if this
1489         // has a non-negligible impact on STW time.
1490         for _, p := range allp {
1491                 // The write barrier may have buffered pointers since
1492                 // the gcMarkDone barrier. However, since the barrier
1493                 // ensured all reachable objects were marked, all of
1494                 // these must be pointers to black objects. Hence we
1495                 // can just discard the write barrier buffer.
1496                 if debug.gccheckmark > 0 {
1497                         // For debugging, flush the buffer and make
1498                         // sure it really was all marked.
1499                         wbBufFlush1(p)
1500                 } else {
1501                         p.wbBuf.reset()
1502                 }
1503
1504                 gcw := &p.gcw
1505                 if !gcw.empty() {
1506                         printlock()
1507                         print("runtime: P ", p.id, " flushedWork ", gcw.flushedWork)
1508                         if gcw.wbuf1 == nil {
1509                                 print(" wbuf1=<nil>")
1510                         } else {
1511                                 print(" wbuf1.n=", gcw.wbuf1.nobj)
1512                         }
1513                         if gcw.wbuf2 == nil {
1514                                 print(" wbuf2=<nil>")
1515                         } else {
1516                                 print(" wbuf2.n=", gcw.wbuf2.nobj)
1517                         }
1518                         print("\n")
1519                         throw("P has cached GC work at end of mark termination")
1520                 }
1521                 // There may still be cached empty buffers, which we
1522                 // need to flush since we're going to free them. Also,
1523                 // there may be non-zero stats because we allocated
1524                 // black after the gcMarkDone barrier.
1525                 gcw.dispose()
1526         }
1527
1528         // Flush scanAlloc from each mcache since we're about to modify
1529         // heapScan directly. If we were to flush this later, then scanAlloc
1530         // might have incorrect information.
1531         //
1532         // Note that it's not important to retain this information; we know
1533         // exactly what heapScan is at this point via scanWork.
1534         for _, p := range allp {
1535                 c := p.mcache
1536                 if c == nil {
1537                         continue
1538                 }
1539                 c.scanAlloc = 0
1540         }
1541
1542         // Reset controller state.
1543         gcController.resetLive(work.bytesMarked)
1544 }
1545
1546 // gcSweep must be called on the system stack because it acquires the heap
1547 // lock. See mheap for details.
1548 //
1549 // Returns true if the heap was fully swept by this function.
1550 //
1551 // The world must be stopped.
1552 //
1553 //go:systemstack
1554 func gcSweep(mode gcMode) bool {
1555         assertWorldStopped()
1556
1557         if gcphase != _GCoff {
1558                 throw("gcSweep being done but phase is not GCoff")
1559         }
1560
1561         lock(&mheap_.lock)
1562         mheap_.sweepgen += 2
1563         sweep.active.reset()
1564         mheap_.pagesSwept.Store(0)
1565         mheap_.sweepArenas = mheap_.allArenas
1566         mheap_.reclaimIndex.Store(0)
1567         mheap_.reclaimCredit.Store(0)
1568         unlock(&mheap_.lock)
1569
1570         sweep.centralIndex.clear()
1571
1572         if !concurrentSweep || mode == gcForceBlockMode {
1573                 // Special case synchronous sweep.
1574                 // Record that no proportional sweeping has to happen.
1575                 lock(&mheap_.lock)
1576                 mheap_.sweepPagesPerByte = 0
1577                 unlock(&mheap_.lock)
1578                 // Flush all mcaches.
1579                 for _, pp := range allp {
1580                         pp.mcache.prepareForSweep()
1581                 }
1582                 // Sweep all spans eagerly.
1583                 for sweepone() != ^uintptr(0) {
1584                 }
1585                 // Free workbufs eagerly.
1586                 prepareFreeWorkbufs()
1587                 for freeSomeWbufs(false) {
1588                 }
1589                 // All "free" events for this mark/sweep cycle have
1590                 // now happened, so we can make this profile cycle
1591                 // available immediately.
1592                 mProf_NextCycle()
1593                 mProf_Flush()
1594                 return true
1595         }
1596
1597         // Background sweep.
1598         lock(&sweep.lock)
1599         if sweep.parked {
1600                 sweep.parked = false
1601                 ready(sweep.g, 0, true)
1602         }
1603         unlock(&sweep.lock)
1604         return false
1605 }
1606
1607 // gcResetMarkState resets global state prior to marking (concurrent
1608 // or STW) and resets the stack scan state of all Gs.
1609 //
1610 // This is safe to do without the world stopped because any Gs created
1611 // during or after this will start out in the reset state.
1612 //
1613 // gcResetMarkState must be called on the system stack because it acquires
1614 // the heap lock. See mheap for details.
1615 //
1616 //go:systemstack
1617 func gcResetMarkState() {
1618         // This may be called during a concurrent phase, so lock to make sure
1619         // allgs doesn't change.
1620         forEachG(func(gp *g) {
1621                 gp.gcscandone = false // set to true in gcphasework
1622                 gp.gcAssistBytes = 0
1623         })
1624
1625         // Clear page marks. This is just 1MB per 64GB of heap, so the
1626         // time here is pretty trivial.
1627         lock(&mheap_.lock)
1628         arenas := mheap_.allArenas
1629         unlock(&mheap_.lock)
1630         for _, ai := range arenas {
1631                 ha := mheap_.arenas[ai.l1()][ai.l2()]
1632                 for i := range ha.pageMarks {
1633                         ha.pageMarks[i] = 0
1634                 }
1635         }
1636
1637         work.bytesMarked = 0
1638         work.initialHeapLive = gcController.heapLive.Load()
1639 }
1640
1641 // Hooks for other packages
1642
1643 var poolcleanup func()
1644 var boringCaches []unsafe.Pointer // for crypto/internal/boring
1645
1646 //go:linkname sync_runtime_registerPoolCleanup sync.runtime_registerPoolCleanup
1647 func sync_runtime_registerPoolCleanup(f func()) {
1648         poolcleanup = f
1649 }
1650
1651 //go:linkname boring_registerCache crypto/internal/boring/bcache.registerCache
1652 func boring_registerCache(p unsafe.Pointer) {
1653         boringCaches = append(boringCaches, p)
1654 }
1655
1656 func clearpools() {
1657         // clear sync.Pools
1658         if poolcleanup != nil {
1659                 poolcleanup()
1660         }
1661
1662         // clear boringcrypto caches
1663         for _, p := range boringCaches {
1664                 atomicstorep(p, nil)
1665         }
1666
1667         // Clear central sudog cache.
1668         // Leave per-P caches alone, they have strictly bounded size.
1669         // Disconnect cached list before dropping it on the floor,
1670         // so that a dangling ref to one entry does not pin all of them.
1671         lock(&sched.sudoglock)
1672         var sg, sgnext *sudog
1673         for sg = sched.sudogcache; sg != nil; sg = sgnext {
1674                 sgnext = sg.next
1675                 sg.next = nil
1676         }
1677         sched.sudogcache = nil
1678         unlock(&sched.sudoglock)
1679
1680         // Clear central defer pool.
1681         // Leave per-P pools alone, they have strictly bounded size.
1682         lock(&sched.deferlock)
1683         // disconnect cached list before dropping it on the floor,
1684         // so that a dangling ref to one entry does not pin all of them.
1685         var d, dlink *_defer
1686         for d = sched.deferpool; d != nil; d = dlink {
1687                 dlink = d.link
1688                 d.link = nil
1689         }
1690         sched.deferpool = nil
1691         unlock(&sched.deferlock)
1692 }
1693
1694 // Timing
1695
1696 // itoaDiv formats val/(10**dec) into buf.
1697 func itoaDiv(buf []byte, val uint64, dec int) []byte {
1698         i := len(buf) - 1
1699         idec := i - dec
1700         for val >= 10 || i >= idec {
1701                 buf[i] = byte(val%10 + '0')
1702                 i--
1703                 if i == idec {
1704                         buf[i] = '.'
1705                         i--
1706                 }
1707                 val /= 10
1708         }
1709         buf[i] = byte(val + '0')
1710         return buf[i:]
1711 }
1712
1713 // fmtNSAsMS nicely formats ns nanoseconds as milliseconds.
1714 func fmtNSAsMS(buf []byte, ns uint64) []byte {
1715         if ns >= 10e6 {
1716                 // Format as whole milliseconds.
1717                 return itoaDiv(buf, ns/1e6, 0)
1718         }
1719         // Format two digits of precision, with at most three decimal places.
1720         x := ns / 1e3
1721         if x == 0 {
1722                 buf[0] = '0'
1723                 return buf[:1]
1724         }
1725         dec := 3
1726         for x >= 100 {
1727                 x /= 10
1728                 dec--
1729         }
1730         return itoaDiv(buf, x, dec)
1731 }
1732
1733 // Helpers for testing GC.
1734
1735 // gcTestMoveStackOnNextCall causes the stack to be moved on a call
1736 // immediately following the call to this. It may not work correctly
1737 // if any other work appears after this call (such as returning).
1738 // Typically the following call should be marked go:noinline so it
1739 // performs a stack check.
1740 //
1741 // In rare cases this may not cause the stack to move, specifically if
1742 // there's a preemption between this call and the next.
1743 func gcTestMoveStackOnNextCall() {
1744         gp := getg()
1745         gp.stackguard0 = stackForceMove
1746 }
1747
1748 // gcTestIsReachable performs a GC and returns a bit set where bit i
1749 // is set if ptrs[i] is reachable.
1750 func gcTestIsReachable(ptrs ...unsafe.Pointer) (mask uint64) {
1751         // This takes the pointers as unsafe.Pointers in order to keep
1752         // them live long enough for us to attach specials. After
1753         // that, we drop our references to them.
1754
1755         if len(ptrs) > 64 {
1756                 panic("too many pointers for uint64 mask")
1757         }
1758
1759         // Block GC while we attach specials and drop our references
1760         // to ptrs. Otherwise, if a GC is in progress, it could mark
1761         // them reachable via this function before we have a chance to
1762         // drop them.
1763         semacquire(&gcsema)
1764
1765         // Create reachability specials for ptrs.
1766         specials := make([]*specialReachable, len(ptrs))
1767         for i, p := range ptrs {
1768                 lock(&mheap_.speciallock)
1769                 s := (*specialReachable)(mheap_.specialReachableAlloc.alloc())
1770                 unlock(&mheap_.speciallock)
1771                 s.special.kind = _KindSpecialReachable
1772                 if !addspecial(p, &s.special) {
1773                         throw("already have a reachable special (duplicate pointer?)")
1774                 }
1775                 specials[i] = s
1776                 // Make sure we don't retain ptrs.
1777                 ptrs[i] = nil
1778         }
1779
1780         semrelease(&gcsema)
1781
1782         // Force a full GC and sweep.
1783         GC()
1784
1785         // Process specials.
1786         for i, s := range specials {
1787                 if !s.done {
1788                         printlock()
1789                         println("runtime: object", i, "was not swept")
1790                         throw("IsReachable failed")
1791                 }
1792                 if s.reachable {
1793                         mask |= 1 << i
1794                 }
1795                 lock(&mheap_.speciallock)
1796                 mheap_.specialReachableAlloc.free(unsafe.Pointer(s))
1797                 unlock(&mheap_.speciallock)
1798         }
1799
1800         return mask
1801 }
1802
1803 // gcTestPointerClass returns the category of what p points to, one of:
1804 // "heap", "stack", "data", "bss", "other". This is useful for checking
1805 // that a test is doing what it's intended to do.
1806 //
1807 // This is nosplit simply to avoid extra pointer shuffling that may
1808 // complicate a test.
1809 //
1810 //go:nosplit
1811 func gcTestPointerClass(p unsafe.Pointer) string {
1812         p2 := uintptr(noescape(p))
1813         gp := getg()
1814         if gp.stack.lo <= p2 && p2 < gp.stack.hi {
1815                 return "stack"
1816         }
1817         if base, _, _ := findObject(p2, 0, 0); base != 0 {
1818                 return "heap"
1819         }
1820         for _, datap := range activeModules() {
1821                 if datap.data <= p2 && p2 < datap.edata || datap.noptrdata <= p2 && p2 < datap.enoptrdata {
1822                         return "data"
1823                 }
1824                 if datap.bss <= p2 && p2 < datap.ebss || datap.noptrbss <= p2 && p2 <= datap.enoptrbss {
1825                         return "bss"
1826                 }
1827         }
1828         KeepAlive(p)
1829         return "other"
1830 }