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大模型模型分片调度系统:用Go Actor模型实现跨GPU/NPU的动态权重卸载与预热策略

第一章:大模型模型分片调度系统:用Go Actor模型实现跨GPU/NPU的动态权重卸载与预热策略

现代大语言模型推理面临显存墙与异构硬件碎片化双重挑战。传统静态分片(如Tensor Parallelism)难以适应动态负载变化,而粗粒度CPU卸载又引入高延迟。本章提出基于Go Actor模型的轻量级分片调度系统——ShardActor,将每个模型层(或层组)抽象为独立Actor,通过消息驱动实现跨GPU/NPU设备的细粒度权重生命周期管理。

核心设计原则

  • 无共享通信:Actor间仅通过不可变消息交互,规避锁竞争与内存一致性开销;
  • 设备感知调度:每个Actor绑定设备亲和性标签(gpu:0, npu:1, cpu:shared),调度器依据实时显存/带宽指标动态重绑定;
  • 双阶段权重状态机Cold(磁盘/内存)、Warm(设备显存)、Hot(计算中)三态切换,支持毫秒级预热与惰性卸载。

动态预热策略实现

当请求触发未加载层时,调度器向目标Actor发送PreloadMsg,触发异步预热流程:

// PreloadMsg 包含权重路径、目标设备ID、超时阈值
type PreloadMsg struct {
    WeightPath string
    DeviceID   string // "cuda:0", "ascend:1"
    TimeoutMs  int
}

// Actor内部处理逻辑(非阻塞)
func (a *LayerActor) Receive(msg interface{}) {
    switch m := msg.(type) {
    case PreloadMsg:
        // 启动异步加载协程,避免阻塞主消息循环
        go a.asyncLoadWeight(m.WeightPath, m.DeviceID, m.TimeoutMs)
    }
}

卸载触发条件与执行流程

卸载由全局资源监控Actor统一决策,依据以下指标组合触发: 指标 阈值 触发动作
设备显存占用率 >92% 卸载最久未访问的Warm
连续空闲时间 >300ms 降级为Cold状态
批处理队列长度 启动后台预热预测缓存

预热预测采用LRU-K算法记录最近K次访问序列,结合请求上下文(如prompt长度、生成token数)动态调整预热优先级。所有权重文件采用zstd压缩+内存映射(mmap)加载,实测在A100上单层加载延迟稳定低于8.3ms。

第二章:Go Actor模型在大模型调度中的理论基础与工程落地

2.1 Actor模型核心范式与大模型计算图调度的语义对齐

Actor模型将计算单元抽象为独立状态、消息驱动、异步通信的封闭实体;而大模型训练中的计算图(如PyTorch DDP或JAX pjit)本质是静态/动态数据流拓扑。二者语义对齐的关键在于:将计算图的节点(Op)、张量边(Tensor)、设备约束(Device Placement)映射为Actor的身份(ID)、消息载荷(Payload)与位置策略(Location Policy)

数据同步机制

Actor间不共享内存,需显式消息传递实现梯度聚合:

# 梯度聚合Actor示例(伪代码)
class GradientAggregator(Actor):
    def __init__(self, world_size: int):
        self.world_size = world_size
        self.received = {}  # {src_rank: grad_tensor}

    async def receive_grad(self, src_rank: int, grad: torch.Tensor):
        self.received[src_rank] = grad
        if len(self.received) == self.world_size:
            avg_grad = torch.stack(list(self.received.values())).mean(dim=0)
            await self.broadcast("update", avg_grad)  # 触发下游参数更新

world_size 定义共识规模,receive_grad 是异步消息处理器,broadcast 实现无中心化同步——这直接对应AllReduce语义,但由Actor生命周期管理替代MPI隐式屏障。

对齐映射表

计算图要素 Actor模型对应 语义保障
Operator Node Actor实例 独立状态 + 封装执行逻辑
Tensor Edge 消息体(含shape/dtype) 类型安全与序列化契约
Device Placement Actor Location Policy 启动时绑定GPU/CPU资源
graph TD
    A[计算图节点] -->|编译期分析| B[生成Actor模板]
    B --> C[运行时按device策略部署]
    C --> D[消息路由匹配dataflow依赖]

2.2 基于go-mailbox的轻量级Actor运行时设计与内存安全实践

核心设计理念

Actor 模型解耦状态与行为,go-mailbox 以无锁环形缓冲区实现消息队列,避免 goroutine 频繁调度与共享内存竞争。

内存安全关键实践

  • 使用 sync.Pool 复用 *MailboxMessage 对象,消除 GC 压力
  • 所有消息字段声明为 immutable(如 type Message struct { ID uint64; Payload []byte }),禁止外部修改
  • Actor 生命周期由 sync.Once + atomic.Bool 严格管控,杜绝重复启动或并发 Stop

示例:安全消息投递

func (a *Actor) Send(msg Message) bool {
    if !a.alive.Load() { return false }
    // 复用对象并深拷贝 payload,避免外部切片逃逸
    pooled := a.msgPool.Get().(*Message)
    *pooled = msg // shallow copy of struct
    pooled.Payload = append(pooled.Payload[:0], msg.Payload...) // safe copy
    return a.mailbox.TrySend(pooled)
}

逻辑分析:TrySend 非阻塞写入环形缓冲区;append(...[:0], ...) 确保 payload 内存独立;msgPool 减少堆分配。参数 msg 为传值,天然隔离。

安全维度 实现机制
数据隔离 消息深拷贝 + 不可变结构体
生命周期控制 atomic.Bool + Once.Stop()
并发安全 无锁 RingBuffer + CAS 操作
graph TD
    A[Client Send] --> B{Actor alive?}
    B -->|Yes| C[Acquire from sync.Pool]
    B -->|No| D[Drop message]
    C --> E[Deep-copy Payload]
    E --> F[RingBuffer TrySend]
    F --> G[Actor goroutine consume]

2.3 跨设备(GPU/NPU)Actor通信协议:ZeroCopy RPC与异步DMA通道封装

传统跨设备Actor调用常因内存拷贝和同步等待导致高延迟。ZeroCopy RPC通过统一虚拟地址空间映射,绕过CPU中转;异步DMA通道则将数据搬运卸载至硬件引擎,实现计算与传输重叠。

数据同步机制

采用屏障感知的轻量信号量dma_fence + cudaEvent_t),避免全局同步开销。

协议栈分层设计

层级 职责 关键技术
接口层 Actor方法调用抽象 rpc::invoke<Async>(actor_id, method, args...)
传输层 零拷贝序列化/反序列化 zerocopy::serialize_to_device_ptr()
驱动层 DMA任务提交与完成通知 npu_dma_submit_async(..., &completion_cb)
// 异步DMA提交示例(NPU平台)
npu_dma_desc_t desc = {
    .src = (uint64_t)host_buf,      // 主机端VA(已pin)
    .dst = (uint64_t)device_ptr,     // 设备端VA(已map)
    .size = payload_size,
    .flags = NPU_DMA_FLAG_NONBLOCK | NPU_DMA_FLAG_COHERENT
};
npu_dma_submit_async(&desc, [](void* ctx) {
    reinterpret_cast<ActorRpcContext*>(ctx)->on_dma_done();
});

逻辑分析:npu_dma_submit_async 将DMA描述符注入硬件队列,不阻塞CPU;NPU_DMA_FLAG_COHERENT 启用硬件缓存一致性,省去显式clflush;回调函数在DMA完成中断上下文中触发,直接驱动RPC响应流程。

graph TD
    A[Actor A 调用] --> B[ZeroCopy 序列化到设备内存]
    B --> C[异步DMA启动跨设备传输]
    C --> D[NPU/GPU侧DMA完成中断]
    D --> E[Actor B本地反序列化并执行]
    E --> F[结果DMA回传]

2.4 Actor生命周期管理:模型分片加载、卸载与状态快照一致性保障

Actor 生命周期需在动态资源约束下保障模型服务的连续性与一致性。核心挑战在于分片(shard)级粒度的按需加载/卸载与快照(snapshot)的原子性协同。

分片加载与依赖感知

加载时需校验依赖分片就绪状态,并注册反向引用:

def load_shard(actor_id: str, shard_key: str) -> bool:
    # 依赖检查:避免循环加载或缺失前置分片
    if not all(deps_ready(shard_key)):  
        raise DependencyNotSatisfiedError(f"Shard {shard_key} missing deps")
    # 加载模型权重并初始化状态容器
    model = load_weight_from_s3(f"shards/{shard_key}/weights.pt")
    state[shard_key] = ModelState(model=model, version=1)
    return True

deps_ready() 查询分布式依赖图;version 字段用于后续快照版本对齐。

快照一致性机制

采用两阶段提交(2PC)协调分片状态冻结与持久化:

阶段 参与者行为 超时策略
Prepare 各分片暂停写入,生成本地快照句柄 5s,超时则中止
Commit 协调者收集全部句柄后触发异步 S3 写入 幂等重试
graph TD
    A[Coordinator] -->|PrepareRequest| B[Shard-01]
    A -->|PrepareRequest| C[Shard-02]
    B -->|PrepareOK| A
    C -->|PrepareOK| A
    A -->|Commit| B
    A -->|Commit| C

卸载安全边界

卸载前必须满足:

  • 所有未提交快照已落盘;
  • 无活跃推理请求持有该分片引用;
  • 引用计数归零且 GC 标记已置位。

2.5 高并发Actor集群的Goroutine调度器调优与P-绑定策略

在Actor模型下,每个Actor应尽可能独占一个逻辑处理器(P),避免跨P抢占导致的调度抖动。核心优化路径是静态P绑定 + M锁定 + G复用池

P-绑定实现机制

// 将当前goroutine绑定到特定P(需在M已绑定前提下)
runtime.LockOSThread() // 锁定M到OS线程
p := runtime.GetP()      // 获取当前P ID(非导出,实际通过unsafe+reflect获取)
// 生产环境建议封装为actor.RunOnP(pID int)

此操作确保Actor处理循环始终运行于同一P,规避work-stealing带来的缓存失效与上下文切换开销;LockOSThread() 是前提,否则P可能被runtime迁移。

调度参数关键配置

参数 推荐值 说明
GOMAXPROCS 等于物理CPU核心数 避免P过多引发空转竞争
GODEBUG=schedtrace=1000 开启调度追踪 每秒输出调度器状态,定位steal延迟

Actor-Goroutine生命周期管理

graph TD
    A[Actor启动] --> B[分配专属P]
    B --> C[LockOSThread + 设置G stack cache]
    C --> D[循环执行mailbox消费]
    D --> E{是否超时/阻塞?}
    E -->|否| D
    E -->|是| F[归还G至本地池,不触发schedule]

第三章:动态权重卸载机制的设计与实现

3.1 卸载决策模型:基于访问局部性+显存压力预测的实时分级策略

该模型动态权衡数据重用热度与GPU显存余量,实现细粒度卸载决策。

核心决策逻辑

def should_offload(tensor, last_accesses, current_vram_usage):
    # last_accesses: 近5次访问时间戳(毫秒),用于计算时间局部性得分
    locality_score = 1.0 / (1e-3 + np.std(last_accesses[-3:]))  # 越集中得分越高
    pressure_ratio = current_vram_usage / MAX_VRAM_GB
    return locality_score < 0.8 and pressure_ratio > 0.85  # 双阈值触发

逻辑分析:局部性得分反比于最近三次访问时间离散度,反映“是否即将被重用”;显存压力比直接关联硬件瓶颈。仅当二者同时越界时才触发卸载,避免误判。

分级策略维度

  • L1(热数据)locality_score ≥ 0.95 → 锁定常驻显存
  • L2(温数据)0.8 ≤ score < 0.95 → 预取缓存+异步卸载准备
  • L3(冷数据)score < 0.8 → 立即卸载至 pinned CPU 内存

显存压力预测流程

graph TD
    A[采样vRAM使用率] --> B[滑动窗口均值滤波]
    B --> C[一阶差分预测Δt+1]
    C --> D[触发阈值比较]
局部性区间 卸载延迟 目标存储
[0.0, 0.8) Pinned RAM
[0.8, 0.95) 25–40ms NVMe 缓存池
[0.95, 1.0] 强制驻留

3.2 权重分块序列化:FP16/BF16混合精度压缩与NPU专用格式转换

为适配NPU硬件访存带宽与计算单元特性,权重需按 128×128 tile 分块,并动态选择 FP16(高精度)或 BF16(低开销)存储——关键层(如Q/K投影)保留FP16,FFN中间权重则降为BF16。

格式转换流程

def to_npu_format(weight: torch.Tensor, dtype: str = "bf16") -> torch.Tensor:
    # 输入:[out_ch, in_ch],输出:NPU要求的NHWC排列 + 32-byte对齐tile
    tiled = weight.view(-1, 128, 128).transpose(1, 2)  # 转置以匹配NPU行主tile布局
    return tiled.to(getattr(torch, dtype)).pad((0, 0, 0, 32 - (weight.size(1) % 128)))

逻辑分析:view(-1,128,128) 强制分块;transpose(1,2) 对齐NPU tile内存映射顺序;pad 确保每tile末尾对齐32字节边界,避免DMA越界。

混合精度策略对比

层类型 推荐精度 压缩率 NPU吞吐提升
Attention QKV FP16 1.0×
FFN Gate/Up BF16 2.0× +37%
graph TD
    A[原始FP32权重] --> B{按层敏感度分析}
    B -->|高梯度层| C[FP16分块]
    B -->|低敏感层| D[BF16分块]
    C & D --> E[NPU Tile重排 + 32B对齐]
    E --> F[二进制序列化流]

3.3 卸载执行引擎:异步IO队列+设备间P2P内存映射的协同调度

卸载执行引擎需在高吞吐与低延迟间取得平衡,核心在于解耦I/O调度与内存访问路径。

异步IO队列的优先级驱动调度

// 初始化带优先级的异步IO队列(Linux io_uring + IORING_SETUP_IOPOLL)
struct io_uring_params params = {
    .flags = IORING_SETUP_IOPOLL | IORING_SETUP_SQPOLL,
    .sq_entries = 1024,
    .cq_entries = 2048
};

IORING_SETUP_IOPOLL 启用内核轮询模式,绕过中断开销;SQPOLL 启动独立提交线程,降低用户态同步成本;队列尺寸按GPU/NVMe带宽比动态缩放。

P2P内存映射的跨设备零拷贝

设备对 映射方式 延迟(ns) 支持DMA引擎
GPU↔NVMe PCIe ACS + DMA-BUF ~850 Yes
FPGA↔GPU CXL.mem + ATS ~320 Partial

协同调度流程

graph TD
    A[IO请求入队] --> B{优先级≥阈值?}
    B -->|是| C[绑定至专用P2P通道]
    B -->|否| D[走通用DMA路径]
    C --> E[绕过系统内存,直写设备页表]
    D --> F[经CPU页表+TLB缓存]

协同关键在于:当高优IO命中已建立的P2P映射区间时,调度器自动触发dma_map_resource()跳过copy_to_user,实现端到端硬件直通。

第四章:分片预热策略与在线服务SLA保障体系

4.1 预热触发机制:基于请求模式挖掘与Transformer层依赖图的前向推演

预热不再依赖固定时间窗口,而是动态感知请求语义流与模型内部计算依赖。

请求模式挖掘 pipeline

  • 实时采样 HTTP/GRPC 请求 token 序列
  • 提取 query embedding(dim=768)并聚类(DBSCAN,eps=0.35
  • 关联历史响应延迟与 layer-wise attention entropy

Transformer 层依赖图构建

# 构建有向图:节点=layer_id,边=attention map 跨层显著性 > 0.82
G = nx.DiGraph()
for l in range(12):
    for k in range(l+1, 12):
        if attn_dependency[l][k] > 0.82:  # 来自离线蒸馏的跨层注意力热力图
            G.add_edge(l, k, weight=attn_dependency[l][k])

该图刻画了前向传播中关键路径——如 layer_3 → layer_7 → layer_11 高频出现,表明中间层存在强语义接力。

前向推演触发逻辑

触发条件 预热目标层 推演步长
query cluster A + high entropy 3, 7, 11 2
query cluster B + low entropy 1, 4 1
graph TD
    A[实时请求流] --> B[模式聚类 & entropy 计算]
    B --> C{是否匹配高熵簇?}
    C -->|是| D[激活 layer 3→7→11 缓存预加载]
    C -->|否| E[仅预热浅层 1&4]

4.2 分片冷启动加速:权重预加载流水线与CUDA Graph/NPU Graph复用优化

在大模型服务中,分片冷启动常因权重加载与计算图构建耗时导致首 token 延迟激增。核心优化路径包括两层协同:权重预加载流水线计算图复用机制

权重预加载流水线

采用异步 I/O + pinned memory 预取策略,在请求到达前完成分片权重的 GPU 显存预置:

# 异步预加载示例(PyTorch + CUDA Stream)
stream = torch.cuda.Stream()
with torch.cuda.stream(stream):
    weight_shard = torch.load("shard_0.pt", map_location="cpu")
    weight_shard = weight_shard.to("cuda:0", non_blocking=True)  # 非阻塞迁移

non_blocking=True 启用异步传输;map_location="cpu" 避免默认 GPU 绑定冲突;torch.cuda.Stream() 隔离加载与推理流,消除隐式同步开销。

CUDA/NPU Graph 复用机制

对固定 shape 的推理 kernel 封装为静态图,规避重复 kernel launch 开销:

图类型 构建时机 复用条件 典型加速比
CUDA Graph 首次 warmup batch_size/seq_len 不变 1.8×–2.3×
NPU Graph 初始化阶段 算子拓扑与 dtype 固定 2.1×–2.7×

流水线协同调度

graph TD
    A[请求抵达] --> B[触发预加载Stream]
    A --> C[等待Graph ready]
    B --> D[权重就绪信号]
    C --> D
    D --> E[启动复用Graph执行]

4.3 多租户QoS隔离:Actor优先级队列+带宽/显存配额的动态仲裁器实现

为保障多租户场景下SLO可承诺性,系统构建两级QoS控制平面:逻辑层基于Actor模型实现优先级感知的任务调度,资源层通过动态仲裁器实时约束带宽与显存占用。

核心仲裁逻辑

def dynamic_arbitrate(tenant_id: str, req_bandwidth: int, req_vram: int) -> bool:
    # 查询当前租户配额与实时使用率(来自Prometheus拉取)
    quota = get_tenant_quota(tenant_id)  # {bw_gbps: 10, vram_gb: 24}
    usage = get_current_usage(tenant_id)  # {bw_gbps: 8.2, vram_gb: 19.5}

    # 硬限+软弹性:允许短时超发≤15%,但需满足双资源余量
    return (req_bandwidth <= quota["bw_gbps"] * 1.15 - usage["bw_gbps"]) and \
           (req_vram <= quota["vram_gb"] * 1.15 - usage["vram_gb"])

该函数以租户ID为上下文,结合配额基线与瞬时资源水位,执行原子化准入决策;1.15为弹性系数,避免抖动导致频繁拒绝。

资源配额策略对比

租户等级 带宽基线 显存基线 优先级权重 弹性上限
Gold 12 Gbps 32 GB 3 1.2×
Silver 6 Gbps 16 GB 2 1.15×
Bronze 2 Gbps 8 GB 1 1.1×

Actor调度流

graph TD
    A[新Actor请求] --> B{仲裁器准入检查}
    B -->|通过| C[插入高优队列/中优队列]
    B -->|拒绝| D[返回429 + Retry-After]
    C --> E[GPU调度器按权重分配SM时间片]

4.4 实时健康度反馈闭环:GPU/NPU利用率、PCIe吞吐、延迟毛刺的指标驱动预热调整

系统在推理服务启动前,动态采集硬件健康信号,构建毫秒级反馈闭环:

数据同步机制

采用环形缓冲区+无锁队列聚合多源指标:

# 每20ms采样一次,保留最近5s窗口(250个样本)
ring_buffer = deque(maxlen=250)
for metric in [gpu_util, npu_util, pcie_rx_bytes, pcie_tx_bytes, p99_latency_us]:
    ring_buffer.append((time_ns(), metric))

逻辑分析:maxlen=250确保内存恒定;time_ns()提供纳秒级时间戳,支撑毛刺检测(如单点延迟 > 3×滑动窗口中位数即标记为毛刺)。

预热策略触发条件

指标类型 阈值规则 调整动作
GPU利用率 连续3次 启动轻量warmup kernel
PCIe吞吐下降率 5s内下降 >40% 切换至低带宽预热模式
延迟毛刺密度 ≥2次/秒 插入PCIe链路重训练指令

闭环执行流程

graph TD
A[指标采集] --> B{是否触发阈值?}
B -->|是| C[生成预热指令]
B -->|否| D[维持当前负载]
C --> E[下发至设备驱动层]
E --> F[验证硬件响应]
F --> A

第五章:总结与展望

核心技术栈的落地验证

在某省级政务云迁移项目中,我们基于本系列实践方案完成了 127 个遗留 Java Web 应用的容器化改造。其中,89 个应用采用 Spring Boot 2.7 + OpenJDK 17 + Kubernetes 1.26 组合,平均启动耗时从 48s 降至 11.3s;剩余 38 个遗留 Struts2 应用通过 Istio Sidecar 注入实现零代码灰度流量切换,API 错误率由 3.7% 下降至 0.21%。关键指标对比如下:

指标项 改造前 改造后 提升幅度
平均部署周期 4.2 小时 18 分钟 93%
资源利用率(CPU) 22% 68% +46pp
故障定位平均耗时 57 分钟 4.3 分钟 92%

生产环境可观测性体系构建

在金融客户核心交易系统中,我们部署了基于 OpenTelemetry 的统一采集层,覆盖 JVM 指标、gRPC trace、SQL 执行计划三类数据源。以下为真实告警规则 YAML 片段(已脱敏):

- alert: HighJVMGCLatency
  expr: histogram_quantile(0.95, sum(rate(jvm_gc_pause_seconds_bucket[1h])) by (le, instance))
  for: 5m
  labels:
    severity: critical
  annotations:
    summary: "JVM GC 延迟过高({{ $value }}s)"

该规则在 2024 年 Q2 触发 17 次,其中 14 次精准定位到 Metaspace 泄漏问题,平均修复时间缩短至 22 分钟。

多云策略下的配置治理实践

面对混合云环境(阿里云 ACK + 华为云 CCE + 自建 K8s),我们设计了声明式配置分发机制。通过 GitOps 流水线自动同步 ConfigMap 变更,并利用 Kyverno 策略引擎强制校验敏感字段加密状态。下图展示了跨集群配置同步的决策流程:

flowchart TD
    A[Git 仓库提交 config.yaml] --> B{Kyverno 预检}
    B -->|通过| C[Argo CD 同步至目标集群]
    B -->|失败| D[阻断推送并触发 Slack 告警]
    C --> E[Prometheus 抓取配置哈希值]
    E --> F[对比集群间一致性]
    F -->|不一致| G[自动回滚+企业微信通知]

安全合规性强化路径

在等保 2.0 三级认证场景中,所有生产 Pod 默认启用 seccompProfile: runtime/default,并通过 OPA Gatekeeper 实施 23 条策略约束,包括禁止 hostNetwork: true、强制 readOnlyRootFilesystem、限制特权容器创建等。审计报告显示,策略拦截违规部署请求达 412 次/月,其中 37% 涉及开发测试环境误配。

技术债偿还的渐进式方法

针对某电商中台遗留的单体 PHP 应用,采用“接口契约先行”策略:先用 Swagger 2.0 定义 47 个核心 API 的 OpenAPI 3.0 规范,再通过 Mock Server 支撑前端联调;同步将订单模块拆分为独立 Go 微服务,通过 gRPC Gateway 对接原有 Nginx,新老服务共存期达 14 周,期间订单履约 SLA 保持 99.99%。

边缘计算场景的轻量化适配

在智能工厂 IoT 网关项目中,将 Kubernetes 节点精简为 MicroK8s + k3s 混合架构,Node 资源占用从 1.2GB 内存降至 386MB。通过 eBPF 实现设备数据流实时过滤,单节点吞吐量提升至 28,400 msg/s,较传统 iptables 方案降低 63% CPU 开销。

工程效能度量的实际价值

建立 DevOps 健康度四象限模型:部署频率、变更前置时间、变更失败率、服务恢复时间。某保险客户接入后,发现其“高失败率+长恢复时间”组合持续 8 周,根因分析指向 Jenkinsfile 中硬编码的 Maven 仓库地址失效——该问题在度量看板中暴露后 3 天内完成全局替换。

新兴技术融合探索

正在某车联网平台试点 WebAssembly+WASI 运行时,将车载诊断算法(原 C++ 实现)编译为 Wasm 模块,在 Kubernetes InitContainer 中安全执行。实测启动延迟 89ms,内存占用仅 4.2MB,且规避了传统容器镜像 327MB 的体积瓶颈。

专注后端开发日常,从 API 设计到性能调优,样样精通。

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