深入理解golang 的栈

2018-11-06 本文已影响48人风再起时ME

线程栈(thread stacks)介绍

先回顾下linux的内存空间布局

简书_stack02.png

当启动一个C实现的thread时，C标准库会负责分配一块内存作为这个线程的栈。标准库分配这块内存，告诉内核它的位置并让内核处理这个线程的执行。
在linux系统中，可通过 ulimit -s查看系统栈大小（8M）。
ulimit -s 10240可修改栈大小为10M。

简书_stack01.png

这里最大的一个问题是，分配大数组，或者循环递归函数时，默认的栈空间不够用，会导致Segmentation fault错误。

//testMaxStack.cpp
#include <stdio.h>

int main()
{
    printf("init ok\n");
    char a[8192*1024];    // 8M空间
    printf("run over\n");
}

//执行结果
[app@VM_114_13_centos c]$ ulimit -s
8192
[app@VM_114_13_centos c]$ g++ testMaxStack.cpp
[app@VM_114_13_centos c]$ ./a.out 
Segmentation fault

解决方法有两个：

ulimit -s 10240调整标准库给所有线程栈分配的内存块的大小。但是全线提高栈大小意味着每个线程都会提高栈的内存使用量，这样一来，你将用光所有内存。
为每个线程单独确定栈大小。这样一来你就不得不完成这样的任务：根据每个线程的需要，估算它们的栈内存的大小。这将是创建线程的难度超出我们的期望。

Go是如何应对这个问题的

Go使用的解决方案类似第二种方法。
goroutine 初始时只给栈分配很小的空间，然后随着使用过程中的需要自动地增长。这就是为什么Go可以开千千万万个goroutine而不会耗尽内存。
Go 1.4 开始使用的是连续栈，而这之前使用的分段栈。

分段栈(Segmented Stacks)

分段栈(segmented stacks)是Go语言最初用来处理栈的方案。
当创建一个goroutine时，Go运行时会分配一段8K字节的内存用于栈供goroutine运行使用。

每个go函数在函数入口处都会有一小段代码，这段代码会检查是否用光了已分配的栈空间，如果用光了，这段代码会调用morestack函数。

morestack函数

morestack函数会分配一段新内存用作栈空间，接下来它会将有关栈的各种数据信息写入栈底的一个struct中(下图中Stack info)，包括上一段栈的地址。然后重启goroutine，从导致栈空间用光的那个函数（下图中的Foobar）开始执行。这就是所谓的“栈分裂 (stack split)”。

  +---------------+
  |               |
  |   unused      |
  |   stack       |
  |   space       |
  +---------------+
  |    Foobar     |
  |               |
  +---------------+
  |               |
  |  lessstack    |
  +---------------+
  | Stack info    |
  |               |-----+
  +---------------+     |
                        |
                        |
  +---------------+     |
  |    Foobar     |     |
  |               | <---+
  +---------------+
  | rest of stack |
  |               |

lessstack函数

在新栈的底部，插入了一个栈入口函数lessstack。设置这个函数用于从那个导致我们用光栈空间的函数(Foobar)返回时用的。当那个函数(Foobar)返回时，我们回到lessstack（这个栈帧），lessstack会查找 stack底部的那个struct，并调整栈指针(stack pointer)，使得我们返回到前一段栈空间。这样做之后，我们就可以将这个新栈段(stack segment)释放掉，并继续执行我们的程序了。

分段栈的问题

栈缩小是一个相对代价高昂的操作。如果在一个循环中调用的函数遇到栈分裂 (stack split)，进入函数时会增加栈空间(morestack 函数)，返回并释放栈段(lessstack 函数)。性能方面开销很大。

连续栈（continuous stacks）

go现在使用的是这套解决方案。
goroutine在栈上运行着，当用光栈空间，它遇到与旧方案中相同的栈溢出检查。但是与旧方案采用的保留一个返回前一段栈的link不同，新方案创建一个两倍于原stack大小的新stack，并将旧栈拷贝到其中。
这意味着当栈实际使用的空间缩小为原先的大小时，go运行时不用做任何事情。
栈缩小是一个无任何代价的操作（栈的收缩是垃圾回收的过程中实现的．当检测到栈只使用了不到1/4时，栈缩小为原来的1/2）。
此外，当栈再次增长时，运行时也无需做任何事情，我们只需要重用之前分配的空闲空间即可。

如何捕获到函数的栈空间不足

Go语言和C不同，不是使用栈指针寄存器和栈基址寄存器确定函数的栈的。

在Go的运行时库中，每个goroutine对应一个结构体G，大致相当于进程控制块的概念。这个结构体中存了stackbase和stackguard，用于确定这个goroutine使用的栈空间信息。每个Go函数调用的前几条指令，先比较栈指针寄存器跟g->stackguard，检测是否发生栈溢出。如果栈指针寄存器值超越了stackguard就需要扩展栈空间。

旧栈数据复制到新栈

旧栈数据复制到新栈的过程，要考虑指针失效问题。
Go实现了精确的垃圾回收，运行时知道每一块内存对应的对象的类型信息。在复制之后，会进行指针的调整。具体做法是，对当前栈帧之前的每一个栈帧，对其中的每一个指针，检测指针指向的地址，如果指向地址是落在旧栈范围内的，则将它加上一个偏移使它指向新栈的相应地址。这个偏移值等于新栈基地址减旧栈基地址。