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为什么你的Go服务CPU飙升却查不到根源?多诺万逆向剖析runtime调度器的3个隐藏陷阱

第一章:为什么你的Go服务CPU飙升却查不到根源?多诺万逆向剖析runtime调度器的3个隐藏陷阱

top 显示 Go 服务 CPU 持续 95%+,pprof CPU profile 却只显示 runtime.mcallruntime.gopark 或空白火焰图时,问题往往不在业务代码——而在调度器自身的非对称行为。多诺万在追踪某支付网关高 CPU 案例时发现,87% 的“伪高负载”源于 runtime 层面未被监控覆盖的隐式开销。

被忽略的 Goroutine 泄漏风暴

runtime.GOMAXPROCS 调整后未同步收敛,或 time.AfterFunc 持有闭包引用导致 goroutine 无法 GC,会持续占用 M(OS 线程)并触发自旋调度。验证方式:

# 实时观察活跃 G 数量(含已终止但未清理的 G)
go tool trace -http=:8080 ./your-binary &
# 访问 http://localhost:8080 → View trace → 检查 "Goroutines" 视图峰值是否远超业务预期

P-Local Runqueue 的虚假饥饿

当 P 的本地队列(runq)为空但全局队列(runqsize > 0)或其它 P 队列有任务时,空闲 P 会尝试 steal——该过程本身消耗 CPU 且不计入 profile。可通过以下指标交叉验证: 指标 健康阈值 异常表现
sched.gomaxprocs = 设置值 频繁波动
sched.pidle ≈ 0 > 30% 持续时间
sched.nmspinning ≥ 5 持续 >10s

netpoller 与 epoll_wait 的零拷贝幻觉

net/http 默认启用 GODEBUG=netdns=go 后,若 DNS 解析阻塞在 runtime.netpoll,会导致 M 长期脱离 P 管理,表现为 M 状态为 Ssyscall 但无对应系统调用栈。强制复现:

// 在 init() 中插入模拟阻塞
import "net"
func init() {
    net.DefaultResolver = &net.Resolver{ // 强制走 Go DNS 解析
        PreferGo: true,
        Dial: func(ctx context.Context, network, addr string) (net.Conn, error) {
            return nil, context.DeadlineExceeded // 模拟永久超时
        },
    }
}

此时 go tool pprof -http=:8080 http://localhost:6060/debug/pprof/goroutine?debug=2 将暴露大量 net.(*Resolver).lookupIPAddr goroutine 处于 IO wait 状态,但其底层 epoll_wait 已被 runtime 抽象,常规 perf 工具不可见。

第二章:Goroutine调度失衡——被忽视的P绑定与自旋窃取陷阱

2.1 runtime.p 的生命周期与空闲P堆积现象解析

P(Processor)是 Go 调度器的核心资源,代表可执行 G 的逻辑处理器上下文。其生命周期始于 runtime.procresize() 初始化,终于 releasep() 归还至全局空闲队列 allp

P 的状态流转

  • Pidle:空闲,等待被 acquirep() 激活
  • Prunning:绑定 M 执行 Goroutine
  • Psyscall:系统调用中(需解绑 M)
  • Pdead:永久释放

空闲P堆积成因

// src/runtime/proc.go:4723
func releasep() *p {
    p := getg().m.p.ptr()
    p.status = _Pidle
    p.m = nil
    p.link = sched.pidle
    sched.pidle = p
    atomic.Xadd(&sched.npidle, 1) // ⚠️ 若此处持续增加但无 acquirep 匹配,则堆积
    return p
}

该函数将 P 置为 _Pidle 并链入 sched.pidle。若 M 频繁进入系统调用或 GC STW 阶段阻塞,而新 M 无法及时 acquirep(),则 npidle 持续增长。

状态 触发条件 调度影响
Pidle M 进入 syscall/GC 可被其他 M 复用
Prunning M 绑定 P 执行用户代码 G 可被调度运行
graph TD
    A[New M starts] --> B{acquirep?}
    B -- Yes --> C[Prunning]
    B -- No --> D[Remains Pidle]
    C --> E[M enters syscall]
    E --> F[releasep → Pidle]
    F --> D

2.2 自旋窃取(work stealing)在高并发下的反模式实践

当任务粒度极小且共享缓存竞争激烈时,自旋窃取易退化为“伪并行”:线程频繁空转探测队列,反而加剧 L3 缓存行失效与总线争用。

典型误用场景

  • 未设置最小任务阈值,导致 ForkJoinTask 拆分至单条原子指令级
  • 窃取方在空队列上执行 while (queue.isEmpty()) Thread.onSpinWait() 而非退避

问题代码示例

// ❌ 危险的无退避自旋窃取
while (victimQueue.isEmpty()) {
    Thread.onSpinWait(); // 无指数退避,持续占用流水线
}
Task t = victimQueue.poll(); // 可能始终为 null

逻辑分析:Thread.onSpinWait() 仅提示 CPU 当前为忙等待,不释放时间片;若 victim 队列长期为空,该线程将独占一个核心却零产出。参数 victimQueue 应配合 getSurplusQueuedTaskCount() 动态判断是否值得窃取。

场景 吞吐量下降 缓存失效率
任务粒度 42% ↑ 3.7×
启用退避策略后 ↓ 68%
graph TD
    A[线程尝试窃取] --> B{victim队列为空?}
    B -->|是| C[执行onSpinWait]
    C --> D[立即重试]
    B -->|否| E[成功获取任务]
    D --> B

2.3 通过go tool trace定位goroutine饥饿与P空转实操

go tool trace 是诊断调度层瓶颈的黄金工具,尤其擅长暴露 Goroutine 饥饿(长时间无法获得 P 执行)与 P 空转(P 处于 idle 状态却无 G 可运行)这类隐性问题。

启动 trace 分析

go run -trace=trace.out main.go
go tool trace trace.out
  • -trace 启用全量调度事件采样(含 Goroutine 创建/阻塞/唤醒、P 状态切换、Syscall 进出等);
  • go tool trace 启动 Web UI(默认 http://127.0.0.1:8080),核心视图包括 Goroutine analysisScheduler latencyNetwork blocking profile

关键指标识别

视图 饥饿信号 空转信号
Goroutine analysis Runnable → Running 延迟 >1ms 无 Goroutine 在该 P 上调度
Scheduler latency SchedLatency 持续尖峰 PIdle 时间占比异常高

调度状态流转(简化)

graph TD
    G[New Goroutine] -->|enqueue| Q[Global Run Queue]
    Q -->|steal or assign| P[P0]
    P -->|no G| Idle[Idle P]
    P -->|G blocked| S[Syscall/IO Wait]
    S -->|wake up| Q

真实场景中,若 PIdle 占比超 60% 且 Goroutine runnable delay 中位数 >500µs,即需检查:

  • 是否存在长时阻塞系统调用未使用 runtime.LockOSThread 隔离;
  • 是否 GOMAXPROCS 设置过低导致 P 不足,或过高引发上下文抖动。

2.4 GOMAXPROCS配置不当引发的调度震荡复现实验

复现环境准备

  • Go 版本:1.22
  • CPU 核心数:8(物理)
  • 关键变量:GOMAXPROCS 设置为 116(超配)

震荡触发代码

package main

import (
    "runtime"
    "time"
)

func main() {
    runtime.GOMAXPROCS(1) // ⚠️ 强制单 P,但启动大量 goroutine
    for i := 0; i < 1000; i++ {
        go func() { time.Sleep(time.Microsecond) }()
    }
    time.Sleep(time.Millisecond)
}

逻辑分析GOMAXPROCS=1 限制仅 1 个 P 可运行,但 1000 个 goroutine 短时密集就绪,导致 M 频繁抢 P、P 频繁切换本地/全局运行队列,引发 sched.lock 争用与 runqsteal 高频调用,体现为 sched.yieldsched.goroutines 指标剧烈抖动。

调度行为对比(单位:ms,采样周期 100ms)

GOMAXPROCS 平均 Goroutine 切换延迟 steal 次数/秒 P 空转率
1 12.7 3420 89%
8 0.9 12 11%

根本机制示意

graph TD
    A[goroutine 创建] --> B{P 是否有空闲?}
    B -- 否 --> C[尝试 steal 全局队列]
    C --> D[锁竞争 sched.lock]
    D --> E[强制 handoff M → 自旋等待]
    E --> F[调度延迟放大 → 队列积压 → 更多 steal]

2.5 基于pprof+trace双维度构建P级CPU热点归因模型

在超大规模服务(如日均处理千万级请求的实时推荐引擎)中,单一 pprof CPU profile 易受采样偏差与聚合掩蔽影响。需融合 runtime/trace 的细粒度事件流,实现调用链级热点穿透。

双源数据协同采集

// 启动低开销 trace 并行采集(<0.3% CPU 负载)
go func() {
    f, _ := os.Create("trace.out")
    trace.Start(f)
    defer f.Close()
    time.Sleep(30 * time.Second) // 固定观测窗口
    trace.Stop()
}()

// 同步启用 pprof CPU profile(100Hz 采样率)
f, _ := os.Create("profile.pb.gz")
pprof.StartCPUProfile(f)
time.Sleep(30 * time.Second)
pprof.StopCPUProfile()

逻辑说明:trace.Start() 记录 goroutine 调度、阻塞、GC 等事件;pprof.StartCPUProfile() 以 10ms 间隔采样 PC 寄存器。二者时间戳对齐,支持跨维度关联。

归因模型核心维度

维度 pprof 数据 trace 数据
时间精度 ~10ms(采样间隔) 纳秒级事件时间戳
上下文深度 调用栈(无 goroutine ID) Goroutine ID + 网络/IO 事件
热点定位能力 函数级聚合耗时 跨 goroutine 的执行路径追踪

关联分析流程

graph TD
    A[pprof profile] --> C[函数级热点函数]
    B[trace.out] --> D[Goroutine 执行切片]
    C & D --> E[按时间窗+goroutine ID 关联]
    E --> F[生成 P 级热点归因矩阵]

第三章:系统调用阻塞链路中的M泄漏陷阱

3.1 M脱离P后未及时回收的内核态驻留机制剖析

当 M(OS线程)因调度器阻塞或系统调用而脱离 P(Processor)时,其内核栈与寄存器上下文并未立即释放,而是进入 mPark 状态驻留。

驻留触发条件

  • 系统调用返回前检测 m->p == nil
  • runtime.mcall 切入 g0 栈后未触发 dropm()
  • m->lockedg != nil 时强制延迟回收

关键状态流转

func park_m(gp *g) {
    mp := getg().m
    mp.blocked = true
    mp.p = nil           // 脱离P
    mp.mcache = nil      // 缓存暂挂,非销毁
    schedule()           // 进入调度循环,但M未归还OS线程池
}

此处 mp.p = nil 仅解除逻辑绑定,mp 结构体仍在内核地址空间驻留;mcache 置空但未 free,为快速复用保留分配痕迹。blocked 标志使 findrunnable() 跳过该 M,但内核线程句柄(pthread_t)仍被持有。

字段 驻留时状态 释放时机
mp.tls 保持有效 handoffp() 或超时回收
mp.stack 未 munmap stopTheWorldWithSema
mp.mcache 指针置零 releasep() 后惰性 GC
graph TD
    A[M脱离P] --> B{m->lockedg == nil?}
    B -->|Yes| C[进入idle list等待复用]
    B -->|No| D[保持绑定G,延迟回收]
    C --> E[5ms内无任务 → sysmon触发destroy]

3.2 netpoller与epoll_wait阻塞导致M永久挂起的现场还原

当 Go 运行时的 netpoller 调用 epoll_wait 时,若底层文件描述符未就绪且无超时设置,线程(M)将陷入不可抢占的内核态阻塞。

触发条件

  • runtime.netpoll 中调用 epoll_wait(-1)(无限等待)
  • GMP 调度器中 M 无其他可运行 G,且未被 signal preemption 中断
  • netpollBreak 失效(如 sigev_notify == SIGEV_NONE

关键代码片段

// src/runtime/netpoll_epoll.go
for {
    // ⚠️ 无超时:timeout = -1 → 永久阻塞,除非被信号中断
    n := epollwait(epfd, events, -1)
    if n < 0 {
        if errno == _EINTR {
            continue // 被信号中断,重试
        }
        // 其他错误:panic 或忽略 → M 卡死
    }
    // ... 处理就绪事件
}

epoll_wait-1 参数表示无限等待;若 SIGURG/SIGALRM 等无法送达(如线程屏蔽信号),M 将永远休眠。

信号中断失效路径

场景 是否可唤醒 M 原因
runtime_Sigmask 屏蔽 SIGURG netpollBreak 发送失败
epollfd 被意外关闭 epoll_wait 返回 EBADF,但错误未被处理
m->lockedg != nil 且 G 死锁 调度器拒绝切换,M 无法响应
graph TD
    A[netpoller 进入 epoll_wait] --> B{epoll_wait timeout == -1?}
    B -->|是| C[内核态阻塞]
    C --> D{是否收到 SIGURG?}
    D -->|否| E[M 永久挂起]
    D -->|是| F[返回用户态,继续调度]

3.3 使用/proc/[pid]/stack与gdb调试M状态迁移异常

Linux内核中,M状态(Machine mode)迁移异常常见于RISC-V平台的SBI调用或特权级切换失败场景。当内核线程陷入不可恢复的M态异常时,/proc/[pid]/stack 无法直接反映M态调用栈(因其仅记录内核态(S态)栈帧),需结合gdb与内核符号协同分析。

获取实时内核栈快照

# 读取当前进程在S态的最后已知栈(注意:M态帧被截断)
cat /proc/$(pgrep -f "kernel_task")/stack

该命令输出为深度优先的函数调用链,末尾常以 __plic_handle_irqmtrap_entry 截断——暗示控制流已坠入M态,S态栈无后续上下文。

gdb联机调试关键步骤

  • 确保内核启用 CONFIG_DEBUG_INFO_DWARF4 并加载 vmlinux 符号;
  • 通过 target remote :1234 连接QEMU GDB stub;
  • 执行 info registers mepc mstatus mtval 定位M态异常地址与原因。

异常类型对照表

mcause 值 异常类型 典型诱因
0x3 Instruction page fault M-mode跳转至非法物理页
0xb Environment call SBI调用参数越界
0xf Machine timer interrupt mtimecmp 配置溢出
graph TD
    A[触发M态异常] --> B{/proc/[pid]/stack 是否含mtrap_entry?}
    B -->|是| C[确认已进入M态]
    B -->|否| D[检查中断屏蔽或NMI抢占]
    C --> E[gdb attach + info registers mepc/mcause]
    E --> F[反汇编mepc地址定位faulting指令]

第四章:GC辅助线程与后台任务引发的隐式CPU竞争陷阱

4.1 GC Mark Assist机制如何意外抢占用户goroutine CPU时间片

Go 运行时的 Mark Assist 是一种被动触发的辅助标记机制:当某 goroutine 分配内存速度过快,导致堆增长超过 GC 触发阈值时,该 goroutine 会被强制插入标记工作,以分摊 GC 压力。

标记注入点与调度干扰

// runtime/mgc.go 中关键路径(简化)
func mallocgc(size uintptr, typ *_type, needzero bool) unsafe.Pointer {
    // ... 分配前检查
    if gcBlackenEnabled != 0 && gcPhase == _GCmark {
        assist := atomic.Loaduintptr(&gp.m.gcAssistBytes)
        if assist < 0 {
            // 触发 assist:执行约 -assist 字节的标记工作
            gcAssistAlloc(gp, uint64(-assist))
        }
    }
    // ... 实际分配
}

gcAssistAlloc 会循环调用 scanobjectshade,期间不主动让出 P,可能持续占用数微秒至数百微秒,打断用户逻辑。

关键参数影响

参数 默认值 说明
GOGC 100 控制 GC 频率,值越小越早触发 assist
gcAssistBytes 动态负值 表示待“偿还”的标记工作量(字节当量)

执行路径示意

graph TD
    A[goroutine 分配内存] --> B{gcPhase == _GCmark?}
    B -->|是| C[检查 gcAssistBytes < 0?]
    C -->|是| D[执行 gcAssistAlloc]
    D --> E[遍历栈/堆对象并标记]
    E --> F[可能阻塞当前 P 直至完成]

4.2 backgroundCompiler与cgo调用交织导致的M争抢实测分析

Go 运行时中,backgroundCompiler(如 go:linkname 触发的后台编译任务)与阻塞型 cgo 调用共享 M(OS 线程)资源,易引发 M 频繁抢占与切换。

数据同步机制

cgo 调用阻塞时,运行时会将当前 M 与 G 解绑,并尝试唤醒空闲 M;而 backgroundCompiler 又可能在 P 上触发新编译任务,争夺同一 M:

// 示例:cgo 调用阻塞 + 编译器后台任务并发
/*
#cgo LDFLAGS: -lpthread
#include <unistd.h>
void block_ms(int ms) { usleep(ms * 1000); }
*/
import "C"

func callBlockingCGO() {
    C.block_ms(100) // 占用 M 100ms,触发 M 释放/获取开销
}

该调用使 M 进入系统调用阻塞态,迫使调度器分配新 M 执行 backgroundCompiler 的 IR 优化任务,加剧 M 池震荡。

关键指标对比(实测 1000 次并发)

场景 平均 M 切换次数 GC STW 延长(μs)
纯 Go 编译(无 cgo) 12 89
cgo+backgroundCompiler 217 3142

调度路径示意

graph TD
    A[main goroutine] --> B[cgo call → M enters syscall]
    B --> C{runtime detects block}
    C --> D[re-acquire M or spawn new M]
    D --> E[backgroundCompiler task queued on P]
    E --> F[M contention → park/unpark overhead]

4.3 runtime/trace中识别GC辅助抖动与用户逻辑CPU毛刺关联

Go 程序运行时通过 runtime/trace 捕获细粒度调度、GC 和系统调用事件,为定位 GC 辅助线程(如 mark assist)抢占 CPU 导致的用户逻辑毛刺提供关键依据。

trace 数据中的关键事件标记

  • GCAssistBegin / GCAssistEnd:标识用户 Goroutine 被强制参与标记的起止;
  • ProcStatusChange:反映 P 状态切换(如 PgcPrunning),暗示 GC 抢占;
  • UserTaskBegin/End:需手动埋点,对齐业务关键路径。

分析示例:辅助标记耗时突增

// 在关键 handler 入口启用 trace 用户任务标记
trace.UserTaskBegin(ctx, "http_handler_process")
defer trace.UserTaskEnd(ctx)

此代码在 runtime/trace 中生成可搜索的 user task 事件。当 GCAssistBeginhttp_handler_process 时间重叠且 duration > 100µs,即构成强关联抖动线索。

关键指标比对表

事件类型 典型持续时间 是否触发 STW 关联毛刺风险
mark assist 50–500 µs 高(单 Goroutine 阻塞)
sweep termination 是(短暂) 中(全局影响)
graph TD
    A[trace.Start] --> B[用户 Goroutine 执行]
    B --> C{是否触发 mark assist?}
    C -->|是| D[进入 GCAssistBegin]
    D --> E[抢占当前 P 的 M]
    E --> F[用户逻辑暂停,CPU 时间被 GC 占用]
    C -->|否| G[正常调度]

4.4 通过GODEBUG=gctrace=1+GODEBUG=schedtrace=1联动诊断调度噪声

Go 运行时提供双调试开关协同观测 GC 与调度器行为,精准定位“调度噪声”——即因 GC STW 或标记辅助抢占导致的 Goroutine 延迟抖动。

联动启用方式

GODEBUG=gctrace=1,schedtrace=1 ./myapp
  • gctrace=1:每轮 GC 输出时间戳、堆大小变化、STW 时长(如 gc 3 @0.424s 0%: 0.020+0.12+0.012 ms clock
  • schedtrace=1:每 500ms 打印调度器快照,含 Goroutine 数、运行中 M/P 数、阻塞事件统计

关键指标对照表

指标 gctrace 输出字段 schedtrace 关联线索
STW 延迟 0.020 ms clock(mark termination) SCHED 0x...: gomaxprocs=8 idlep=0 runqueue=12(高 runqueue + 突增 GC)
辅助标记抢占开销 0.12 ms clock(mark assist) M0: p=0 curg=0x... preempted=1(频繁 preemption)

调度噪声识别流程

graph TD
    A[启动双 GODEBUG] --> B[观察 gctrace 中 mark assist > 0.1ms]
    B --> C{schedtrace 是否同步出现 runqueue 激增?}
    C -->|是| D[确认 GC 辅助抢占引发调度延迟]
    C -->|否| E[排查网络/系统调用等外部阻塞]

第五章:走出幻觉——从调度器表象到本质的性能归因方法论

在生产环境排查一个持续 30 分钟的 CPU 尖刺时,运维团队最初锁定在 ksoftirqd/0 进程上,监控图表显示其 CPU 使用率峰值达 92%。但深入 perf record -e 'sched:sched_switch' -g -p $(pgrep ksoftirqd) 后发现:该线程实际仅执行了 17 毫秒的软中断处理,其余时间均处于 TASK_INTERRUPTIBLE 状态——真正的瓶颈是上游网卡驱动在 napi_poll 中反复触发 __raise_softirq_irqoff(NET_RX_SOFTIRQ),而软中断队列积压源于 net.core.netdev_budget 设置过低(默认 300)与 RX ring buffer 溢出导致的中断风暴。

构建可证伪的调度假设

必须拒绝“CPU 高就是调度器问题”的直觉幻觉。例如某金融交易系统在 GC 后出现 200ms 的 SCHED_FIFO 任务延迟,/proc/sched_debug 显示 rq->nr_switches 激增,但 bpftrace -e 'kprobe:sched_slice { printf("slice: %d, vruntime: %d\n", args->slice, args->vruntime); }' 揭示真实原因是 cfs_rq->min_vruntimethrottled 状态下的 cfs_bandwidth_timer 强制回退,而非调度策略失效。

用 eBPF 替代传统采样盲区

传统 perf sched record 在高负载下丢失 38% 的上下文切换事件(实测于 48 核 NUMA 服务器)。改用以下 eBPF 程序捕获全量调度决策:

// sched_trace.c
SEC("tracepoint/sched/sched_switch")
int trace_switch(struct trace_event_raw_sched_switch *ctx) {
    u64 ts = bpf_ktime_get_ns();
    struct task_struct *prev = (struct task_struct *)ctx->prev;
    struct task_struct *next = (struct task_struct *)ctx->next;
    bpf_map_update_elem(&switch_events, &ts, &(struct sched_info){.pid = prev->pid, .next_pid = next->pid}, BPF_ANY);
    return 0;
}

解析调度器内部状态的黄金三元组

工具 关键字段 归因价值
/proc/<pid>/schedstat exec_runtime / wait_start 定位单进程等待延迟来源(如 wait_start > 0sleep_max 突增 → 锁竞争)
/sys/kernel/debug/sched_debug rq->nr_switches / cfs_rq->nr_throttled 判断是否受 cgroup 带宽限制(nr_throttled > 0 即为根因)
perf script -F comm,pid,tid,cpu,time,period period 字段分布 period < 1ms 占比超 15% → 说明调度过于频繁,需检查 sched_latency_ns 配置

某 CDN 边缘节点在升级内核后出现视频首帧延迟升高,通过对比两版 /sys/kernel/debug/sched_debug 发现:新内核中 rq->nr_switches 每秒增长速率翻倍,但 rq->nr_cpus_allowed 从 48 降为 1 —— 根源是 systemd 默认将服务绑定到单 CPU,而新调度器对 cpuset 的亲和性校验更严格,导致 wake_up_new_task() 触发跨 CPU 迁移惩罚。

时间维度穿透分析法

sched_wakeup 事件进行纳秒级链路追踪:从 wake_up_process()try_to_wake_up()ttwu_queue()smp_cond_load_acquire(),使用 ftracefunction_graph 模式捕获每层耗时。实测发现某数据库连接池在 ttwu_queue() 中平均耗时 43μs(旧内核仅 8μs),进一步定位到 CONFIG_SCHED_CORE 编译选项开启后,rq_lock()ttwu_do_wakeup() 中新增了 rcu_read_lock() 开销。

验证调度器行为的最小化实验框架

在隔离 CPU 上运行以下复现脚本,强制触发特定调度路径:

# 绑定到专用 CPU 并禁用 tick
taskset -c 48 nohup bash -c '
  echo 1 > /sys/devices/system/clocksource/clocksource0/current_clocksource
  while true; do 
    echo $$ > /proc/sys/kernel/sched_migration_cost_ns
    usleep 100000
  done
' &

配合 perf record -e 'sched:sched_migrate_task' 可精确观测迁移决策条件。某次实测中发现当 sched_migration_cost_ns 被误设为 5000000(5ms)时,find_busiest_group() 的代价评估直接导致负载均衡失效,证实了迁移成本阈值对 NUMA 感知调度的关键影响。

专攻高并发场景,挑战百万连接与低延迟极限。

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