协程分析之context上下文切换
FDDJosefina
7年前
<p>协程现在已经不是个新东西了，很多语言都提供了原生支持，也有很多开源的库也提供了协程支持。</p> <p>最近为了要给 <a href="/misc/goto?guid=4958847553753313451" rel="nofollow,noindex">tbox</a> 增加协程，特地研究了下各大开源协程库的实现，例如：libtask, libmill, boost, libco, libgo等等。</p> <p>他们都属于stackfull协程，每个协程有完整的私有堆栈，里面的核心就是上下文切换(context)，而stackless的协程，比较出名的有protothreads，这个比较另类，有兴趣的同学可以去看下源码，这里就不多说了。</p> <p>那么现有协程库，是怎么去实现context切换的呢，目前主要有以下几种方式：</p> <ol> <li>使用ucontext系列接口，例如：libtask</li> <li>使用setjmp/longjmp接口，例如：libmill</li> <li>使用boost.context，纯汇编实现，内部实现机制跟ucontext完全不同，效率非常高，后面会细讲，tbox最后也是基于此实现</li> <li>使用windows的GetThreadContext/SetThreadContext接口</li> <li>使用windows的CreateFiber/ConvertThreadToFiber/SwitchToFiber接口</li> </ol> <p>各个协程协程库的切换效率的基准测试，可以参考：切换效率基准测试报告</p> <p>ucontext接口</p> <p>要研究ucontext，其实只要看下libtask的实现就行了，非常经典，这套接口其实效率并不是很高，而且很多平台已经标记为废弃接口了（像macosx），目前主要是在linux下使用</p> <p>libtask里面对不提供此接口的平台，进行了汇编实现，已达到跨平台的目的，</p> <p>ucontext相关接口，主要有如下四个：</p> <ul> <li>getcontext：获取当前context</li> <li>setcontext：切换到指定context</li> <li>makecontext: 用于将一个新函数和堆栈，绑定到指定context中</li> <li>swapcontext：保存当前context，并且切换到指定context</li> </ul> <p>下面给个简单的例子：</p> <pre> <code class="language-cpp">#include <stdio.h> #include <ucontext.h> static ucontext_t ctx[3]; static void func1(void) { // 切换到func2 swapcontext(&ctx[1], &ctx[2]); // 返回后，切换到ctx[1].uc_link，也就是main的swapcontext返回处 } static void func2(void) { // 切换到func1 swapcontext(&ctx[2], &ctx[1]); // 返回后，切换到ctx[2].uc_link，也就是func1的swapcontext返回处 } int main (void) { // 初始化context1，绑定函数func1和堆栈stack1 char stack1[8192]; getcontext(&ctx[1]); ctx[1].uc_stack.ss_sp = stack1; ctx[1].uc_stack.ss_size = sizeof(stack1); ctx[1].uc_link = &ctx[0]; makecontext(&ctx[1], func1, 0); // 初始化context2，绑定函数func2和堆栈stack2 char stack2[8192]; getcontext(&ctx[2]); ctx[2].uc_stack.ss_sp = stack2; ctx[2].uc_stack.ss_size = sizeof(stack1); ctx[2].uc_link = &ctx[1]; makecontext(&ctx[2], func2, 0); // 保存当前context，然后切换到context2上去，也就是func2 swapcontext(&ctx[0], &ctx[2]); return 0; }</code></pre> <p>那这套接口的实现原理是什么呢，我们可以拿libtask的arm汇编实现，来看下，其他平台也类似。</p> <pre> <code class="language-cpp">/* get mcontext * * @param mcontext r0 * * @return r0 */ .globl getmcontext getmcontext: /* 保存所有当前寄存器，包括sp和lr */ str r1, [r0, #4] // mcontext.mc_r1 = r1 str r2, [r0, #8] // mcontext.mc_r2 = r2 str r3, [r0, #12] // mcontext.mc_r3 = r3 str r4, [r0, #16] // mcontext.mc_r4 = r4 str r5, [r0, #20] // mcontext.mc_r5 = r5 str r6, [r0, #24] // mcontext.mc_r6 = r6 str r7, [r0, #28] // mcontext.mc_r7 = r7 str r8, [r0, #32] // mcontext.mc_r8 = r8 str r9, [r0, #36] // mcontext.mc_r9 = r9 str r10, [r0, #40] // mcontext.mc_r10 = r10 str r11, [r0, #44] // mcontext.mc_fp = r11 str r12, [r0, #48] // mcontext.mc_ip = r12 str r13, [r0, #52] // mcontext.mc_sp = r13 str r14, [r0, #56] // mcontext.mc_lr = r14 // 设置从setcontext切换回getcontext后，从getcontext返回的值为1 mov r1, #1 /* mcontext.mc_r0 = 1 * * if (getcontext(ctx) == 0) * setcontext(ctx); * * getcontext() will return 1 after calling setcontext() */ str r1, [r0] // 返回0 mov r0, #0 // return 0 mov pc, lr /* set mcontext * * @param mcontext r0 */ .globl setmcontext setmcontext: // 恢复指定context的所有寄存器，包括sp和lr ldr r1, [r0, #4] // r1 = mcontext.mc_r1 ldr r2, [r0, #8] // r2 = mcontext.mc_r2 ldr r3, [r0, #12] // r3 = mcontext.mc_r3 ldr r4, [r0, #16] // r4 = mcontext.mc_r4 ldr r5, [r0, #20] // r5 = mcontext.mc_r5 ldr r6, [r0, #24] // r6 = mcontext.mc_r6 ldr r7, [r0, #28] // r7 = mcontext.mc_r7 ldr r8, [r0, #32] // r8 = mcontext.mc_r8 ldr r9, [r0, #36] // r9 = mcontext.mc_r9 ldr r10, [r0, #40] // r10 = mcontext.mc_r10 ldr r11, [r0, #44] // r11 = mcontext.mc_fp ldr r12, [r0, #48] // r12 = mcontext.mc_ip ldr r13, [r0, #52] // r13 = mcontext.mc_sp ldr r14, [r0, #56] // r14 = mcontext.mc_lr // 设置getcontext的返回值 ldr r0, [r0] // r0 = mcontext.mc_r0 // 切换到getcontext的返回处，继续执行 mov pc, lr // return </code></pre> <p>其实说白了，就是对寄存器进行保存和恢复的过程，切换原理很简单</p> <p>然后外面只需要用宏包裹下，就行了：</p> <pre> <code class="language-cpp">#define setcontext(u) setmcontext(&(u)->uc_mcontext) #define getcontext(u) getmcontext(&(u)->uc_mcontext) </code></pre> <p>而对于makecontext，主要的工作就是设置 函数指针 和 堆栈 到对应context保存的sp和pc寄存器中，这也就是为什么makecontext调用前，必须要先getcontext下的原因。</p> <pre> <code class="language-cpp">void makecontext(ucontext_t *uc, void (*fn)(void), int argc, ...) { int i, *sp; va_list arg; // 将函数参数陆续设置到r0, r1，r2 .. 等参数寄存器中 sp = (int*)uc->uc_stack.ss_sp + uc->uc_stack.ss_size / 4; va_start(arg, argc); for(i=0; i<4 && i<argc; i++) uc->uc_mcontext.gregs[i] = va_arg(arg, uint); va_end(arg); // 设置堆栈指针到sp寄存器 uc->uc_mcontext.gregs[13] = (uint)sp; // 设置函数指针到lr寄存器，切换时会设置到pc寄存器中进行跳转到fn uc->uc_mcontext.gregs[14] = (uint)fn; }</code></pre> <p>这套接口简单有效，不支持的平台还可以通过汇编实现来支持，看上去已经很完美了，但是确有个问题，就是效率不高，因为每次切换保存和恢复的寄存器太多。</p> <p>之后可以看下boost.context的实现，就可以对比出来了，下面先简单讲讲setjmp的切换。。</p> <p>setjmp/longjmp接口</p> <p>libmill里面的切换主要用的就是此套接口，其实应该是sigsetjmp/siglongjmp，不仅保存了寄存器，还保存了signal mask。。</p> <p>通过切换效率基准测试报告，可以看到libmill在x86_64架构上，切换非常的快</p> <p>其实是因为针对这个平台，libmill没有使用原生sigsetjmp/siglongjmp接口，而是自己汇编实现了一套，做了些优化，并且去掉了signal mask的保存。</p> <pre> <code class="language-cpp">#if defined(__x86_64__) #if defined(__AVX__) #define MILL_CLOBBER \ , "ymm0", "ymm1", "ymm2", "ymm3", "ymm4", "ymm5", "ymm6", "ymm7",\ "ymm8", "ymm9", "ymm10", "ymm11", "ymm12", "ymm13", "ymm14", "ymm15" #else #define MILL_CLOBBER #endif #define mill_setjmp_(ctx) ({\ int ret;\ asm("lea LJMPRET%=(%%rip), %%rcx\n\t"\ "xor %%rax, %%rax\n\t"\ "mov %%rbx, (%%rdx)\n\t"\ "mov %%rbp, 8(%%rdx)\n\t"\ "mov %%r12, 16(%%rdx)\n\t"\ "mov %%rsp, 24(%%rdx)\n\t"\ "mov %%r13, 32(%%rdx)\n\t"\ "mov %%r14, 40(%%rdx)\n\t"\ "mov %%r15, 48(%%rdx)\n\t"\ "mov %%rcx, 56(%%rdx)\n\t"\ "mov %%rdi, 64(%%rdx)\n\t"\ "mov %%rsi, 72(%%rdx)\n\t"\ "LJMPRET%=:\n\t"\ : "=a" (ret)\ : "d" (ctx)\ : "memory", "rcx", "r8", "r9", "r10", "r11",\ "xmm0", "xmm1", "xmm2", "xmm3", "xmm4", "xmm5", "xmm6", "xmm7",\ "xmm8", "xmm9", "xmm10", "xmm11", "xmm12", "xmm13", "xmm14", "xmm15"\ MILL_CLOBBER\ );\ ret;\ }) #define mill_longjmp_(ctx) \ asm("movq (%%rax), %%rbx\n\t"\ "movq 8(%%rax), %%rbp\n\t"\ "movq 16(%%rax), %%r12\n\t"\ "movq 24(%%rax), %%rdx\n\t"\ "movq 32(%%rax), %%r13\n\t"\ "movq 40(%%rax), %%r14\n\t"\ "mov %%rdx, %%rsp\n\t"\ "movq 48(%%rax), %%r15\n\t"\ "movq 56(%%rax), %%rdx\n\t"\ "movq 64(%%rax), %%rdi\n\t"\ "movq 72(%%rax), %%rsi\n\t"\ "jmp *%%rdx\n\t"\ : : "a" (ctx) : "rdx" \ ) #else #define mill_setjmp_(ctx) \ sigsetjmp(*ctx, 0) #define mill_longjmp_(ctx) \ siglongjmp(*ctx, 1) #endif </code></pre> <p>经过测试分析，其实libc自带的sigsetjmp/siglongjmp在不同平台下，效率上表现差异很大，而且切换也比setjmp/longjmp的慢了不少</p> <p>所以libmill除了优化过的x86_64平台，在其他arch上切换效果并不是很理想，完全依赖libc的实现效率。。</p> <p>因此后来再封装tbox的协程库的时候，并没有考虑此方案。</p> <p>windows的GetThreadContext/SetThreadContext接口</p> <p>这套接口，我之前用来封装setcontext/getcontext的时候，也实现并测试过，效果非常不理想，非常的慢，比用libtask那套纯汇编的实现慢了10倍左右，直接放弃了</p> <p>不过这套接口用起来还是很方便，跟ucontext类似，完全可以用来模拟封装成ucontext的使用方式，例如：</p> <pre> <code class="language-cpp">// getcontext GetThreadContext(GetCurrentThread(), mcontext); // setcontext SetThreadContext(GetCurrentThread(), mcontext);</code></pre> <p>而makecontext，我贴下之前写的一些实现，不过现在已经废弃了，仅供参考：</p> <pre> <code class="language-cpp">tb_bool_t makecontext(tb_context_ref_t context, tb_pointer_t stack, tb_size_t stacksize, tb_context_func_t func, tb_cpointer_t priv) { // check LPCONTEXT mcontext = (LPCONTEXT)context; tb_assert_and_check_return_val(mcontext && stack && stacksize && func, tb_false); // make stack address tb_long_t* sp = (tb_long_t*)stack + stacksize / sizeof(tb_long_t); // push arguments tb_uint64_t value = tb_p2u64(priv); *--sp = (tb_long_t)(tb_uint32_t)(value); *--sp = (tb_long_t)(tb_uint32_t)(value >> 32); // push return address(unused, only reverse the stack space) *--sp = 0; /* save function and stack address * * sp + 8: arg2 * sp + 4: arg1 * sp: return address(0) => esp */ mcontext->Eip = (tb_long_t)func; mcontext->Esp = (tb_long_t)sp; tb_assert_static(sizeof(tb_long_t) == 4); // save and restore the full machine context mcontext->ContextFlags = CONTEXT_FULL; // ok return tb_true; }</code></pre> <p>原理跟libtask的那个类似，就是修改esp和eip寄存器而已，具体实现可以参考我之前的 <a href="/misc/goto?guid=4959722805021151317" rel="nofollow,noindex">commit</a></p> <p>windows的fibers接口</p> <p>这套接口，目前还没测试过，不过看msdn介绍，使用还是很方便的，不过部分xp系统上，并不提供此接口，需要较高版本的系统支持</p> <p>因此为了考虑跨平台，tbox暂时没去考虑使用，有兴趣的同学可以研究下。</p> <p>boost.context</p> <p>其实一开始tbox是参考libtask的ucontext汇编实现，封装了一套context切换，当时其实已经封装的差不多了，但是后来做 <a href="/misc/goto?guid=4959722805108793297" rel="nofollow,noindex">benchbox</a> 的基准测试</p> <p>把boost的切换一对比，直接就被秒杀了，哎。。然后去看boost的context实现源码，虽然对boost本身并不是太喜欢，但是底层的context是实现，确实非常精妙，不得不佩服。</p> <p>它主要有两个接口，一个 make_fcontext() ，一个 jump_fcontext() ，我在tbox的平台库里面参考其实现，进行了封装，使用方式跟boost类似，因此直接以tbox的使用为例：</p> <pre> <code class="language-cpp">static tb_void_t func1(tb_context_from_t from) { // 获取切换时传入的contexts参数 tb_context_ref_t* contexts = (tb_context_ref_t*)from.priv; // 保存原始context contexts[0] = from.context; // 切换到func2 from = tb_context_jump(contexts[2], contexts); // 从func2返回后，切换回main tb_context_jump(contexts[0], tb_null); } static tb_void_t func2(tb_context_from_t from) { // 获取切换时传入的contexts参数 tb_context_ref_t* contexts = (tb_context_ref_t*)from.priv; // 切换到func1 from = tb_context_jump(from.context, contexts); // 从func1返回后，切换回main tb_context_jump(contexts[0], tb_null); } int main(int argc, char** argv) { // the stacks static tb_context_ref_t contexts[3]; static tb_byte_t stacks1[8192]; static tb_byte_t stacks2[8192]; // 通过stack1和func1生成context1 contexts[1] = tb_context_make(stacks1, sizeof(stacks1), func1); // 通过stack2和func2生成context2 contexts[2] = tb_context_make(stacks2, sizeof(stacks2), func2); // 切换到func1，并且传入contexts作为参数 tb_context_jump(contexts[1], contexts); }</code></pre> <p>其中 tb_context_make 相当于boost的 make_fcontext , tb_context_jump 相当于boost的 jump_fcontext</p> <p>相比ucontext，boost的切换模式，少了单独对context进行保存(getcontext)和切换(setcontext)过程，而是把两者合并到一起，通过jump_fcontext接口实现直接切换。</p> <p>这样做有个好处，就是更加容易进行优化，使得整个切换过程更加的紧凑，我们先来看下macosx平台x86_64的实现，这个比较简单易懂些。。</p> <p>这里我就直接贴tbox的代码了，实现差不多的，只不过多了些注释而已。</p> <pre> <code class="language-cpp">/* make context (refer to boost.context) * * ------------------------------------------------------------------------------- * stackdata: | | context ||||||| * -------------------------------------------------------------------------|----- * (16-align for macosx) * * * ------------------------------------------------------------------------------- * context: | r12 | r13 | r14 | r15 | rbx | rbp | rip | end | ... * ------------------------------------------------------------------------------- * 0 8 16 24 32 40 48 56 | * | 16-align for macosx * | * esp when jump to function * * @param stackdata the stack data (rdi) * @param stacksize the stack size (rsi) * @param func the entry function (rdx) * * @return the context pointer (rax) */ function(tb_context_make) // 保存栈顶指针到rax addq %rsi, %rdi movq %rdi, %rax /* 先对栈指针进行16字节对齐 * * * ------------------------------ * context: | retaddr | padding ... | * ------------------------------ * | | * | 此处16字节对齐 * | * esp到此处时，会进行ret * * 这么做，主要是因为macosx下，对调用栈布局进行了优化，在保存调用函数返回地址的堆栈处，需要进行16字节对齐，方便利用SIMD进行优化 */ movabs $-16, %r8 andq %r8, %rax // 保留context需要的一些空间，因为context和stack是在一起的，stack底指针就是context leaq -64(%rax), %rax // 保存func函数地址到context.rip movq %rdx, 48(%rax) /* 保存__end地址到context.end，如果在在func返回时，没有指定jump切换到有效context * 那么会继续会执行到此处，程序也就退出了 */ leaq __end(%rip), %rcx movq %rcx, 56(%rax) // 返回rax指向的栈底指针，作为context返回 ret __end: // exit(0) xorq %rdi, %rdi #ifdef TB_ARCH_ELF call _exit@PLT #else call __exit #endif hlt endfunc /* jump context (refer to boost.context) * * @param context the to-context (rdi) * @param priv the passed user private data (rsi) * * @return the from-context (context: rax, priv: rdx) */ function(tb_context_jump) // 保存寄存器，并且按布局构造成当前context，包括jump()自身的返回地址retaddr(rip) pushq %rbp pushq %rbx pushq %r15 pushq %r14 pushq %r13 pushq %r12 // 保存当前栈基址rsp，也就是contex，到rax中 movq %rsp, %rax // 切换到指定的新context上去，也就是切换堆栈 movq %rdi, %rsp // 然后按context上的栈布局依次恢复寄存器 popq %r12 popq %r13 popq %r14 popq %r15 popq %rbx popq %rbp // 获取context.rip，也就是make时候指定的func函数地址，或者是对方context中jump()调用的返回地址 popq %r8 // 设置返回值(from.context: rax, from.priv: rdx)，也就是来自对方jump()的context和传递参数 movq %rsi, %rdx // 传递当前(context: rax, priv: rdx)，作为function(from)函数调用的入口参数 movq %rax, %rdi /* 跳转切换到make时候指定的func函数地址，或者是对方context中jump()调用的返回地址 * * 切换过去后，此时的栈布局如下： * * end是func的返回地址，也就是exit * * ------------------------------- * context: .. | end | args | padding ... | * ------------------------------- * 0 8 * | | * rsp 16-align for macosx */ jmp *%r8 endfunc</code></pre> <p>关于apple栈布局16字节对齐优化问题，可以参考： <a href="/misc/goto?guid=4959722805191414688" rel="nofollow,noindex">http://fabiensanglard.net/macosxassembly/index.php</a></p> <p>借用下里面的图哈，可以看下：</p> <p><img src="https://simg.open-open.com/show/8b43bd1e0ea3f3a6c576304dff2f4f81.png"></p> <p>boost的context和stack是一起的，栈底指针就是context，设计非常巧妙，切换context就是切换stack，一举两得，但是这样每次切换就必须更新context</p> <p>因为每次切换context后，context地址都会变掉。</p> <pre> <code class="language-cpp">// 切换返回时，需要更新from.context的地址 from = tb_context_jump(from.context, contexts);</code></pre> <p>现在可以和getcontext/setcontext对比下，就可以看出，这种切换方式的一些优势：</p> <pre> <code class="language-cpp">1. 保存和恢复寄存器数据，在一个切换接口中，更加容易进行优化 2. 通过stack基栈作为context，切换栈相当于切换了context，一举两得，指令数更少 3. 通过push/pop操作保存寄存器，比mov等方式指令字节数更少，更加精简 4. 对参数、可变寄存器没去保存，仅保存部分必须的寄存器，进一步减少指令数</code></pre> <p>关于boost macosx i386下的bug</p> <p>为了实现跨平台，boost下各个架构的实现，我都研究了一遍，发现macosx i386的实现，是有问题的，运行会挂掉，里面直接照搬了linux elf的i386实现版本。</p> <p>估计macosx i386用的不多，所以没去做测试，后来发现，原来macosx i386下jump()返回from(context, priv)的结构体并不是基于栈的</p> <p>而是使用eax, edx返回，因此tbox里面针对这个架构，重新调整stack布局，重写了一套自己的实现。</p> <p>关于boost windows i386下的优化</p> <p>其实在windows下，返回from(context, priv)的结构体，也是用的eax, edx，而不是像linux elf那样基于栈的，因此实现上效率会高很多。</p> <p>但是，boost里面，却像elf那个版本一样，还是采用了一个跳板，进行二次跳转后，才切换到context上去，是没有必要的。</p> <p>在boost里面的跳板代码，类似像这样（摘录自tbox elf i386的实现）：</p> <pre> <code class="language-cpp">__entry: /* pass arguments(context: eax, priv: edx) to the context function * * patch __end * | * | old-context * ----|------------------------------------ * context: .. | retval | context | priv | padding | * ----------------------------------------- * 0 4 arguments * | | * esp 16-align * (now) */ movl %eax, (%esp) movl %edx, 0x4(%esp) // retval = the address of label __end pushl %ebp /* jump to the context function entry * * @note need not adjust stack pointer(+4) using 'ret $4' when enter into function first */ jmp *%ebx</code></pre> <p>由于elf i386下，返回from结构体是基于栈的，所以进入function入口的栈，和切换到对方jump()返回处的栈，并不是完全平衡的，因此需要一个跳板区分对待</p> <p>stack布局上也需要特殊处理，而windows i386的返回，只需要eax/edx就足够，没必要再去使用这个跳板。</p> <p>因此，tbox里面针对这个平台，进行了优化，重新调整了栈布局，省去跳板操作，直接进行跳转，实测切换效率比boost的实现提升30%左右。</p> <p> </p> <p>来自：http://www.tboox.org/cn/2016/10/28/coroutine-context/</p> <p> </p>