線程棧(thread stacks)介紹

先回顧下linux的內存空間布局

簡書_stack02.png

當啟動一個C實現的thread時，C標準庫會負責分配一塊內存作為這個線程的棧。標準庫分配這塊內存，告訴內核它的位置并讓內核處理這個線程 的執行。
在linux系統中，可通過?ulimit -s查看系統棧大小（8M）。
ulimit -s 10240可修改棧大小為10M。

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這里最大的一個問題是，分配大數組，或者循環遞歸函數時，默認的棧空間不夠用，會導致Segmentation fault錯誤。

//testMaxStack.cpp #include <stdio.h> int main() { printf("init ok\n"); char a[8192*1024]; // 8M空間 printf("run over\n"); } //執行結果 [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

解決方法有兩個：

• ulimit -s 10240調整標準庫給所有線程棧分配的內存塊的大小。但是全線提高棧大小意味著每個線程都會提高棧的內存使用量，這樣一來，你將用光所有內存。
• 為每個線程單獨確定棧大小。這樣一來你就不得不完成這樣的任務：根據每個線程的需要，估算它們的棧內存的大小。這將是創建線程的難度超出我們的期望。

Go是如何應對這個問題的

Go使用的解決方案類似第二種方法。
goroutine 初始時只給棧分配很小的空間，然后隨著使用過程中的需要自動地增長。這就是為什么Go可以開千千萬萬個goroutine而不會耗盡內存。
Go 1.4開始使用的是連續棧，而這之前使用的分段棧。

分段棧(Segmented Stacks)

分段棧(segmented stacks)是Go語言最初用來處理棧的方案。
當創建一個goroutine時，Go運行時會分配一段8K字節的內存用于棧供goroutine運行使 用。

每個go函數在函數入口處都會有一小段代碼，這段代碼會檢查是否用光了已分配的棧空間，如果用光了，這段代碼會調用morestack函數。

morestack函數

morestack函數會分配一段新內存用作棧空間，接下來它會將有關棧的各種數據信息寫入棧底的一個struct中(下圖中Stack info)，包括上一段棧的地址。然后重啟goroutine，從導致棧空間用光的那個函數（下圖中的Foobar）開始執行。這就是所謂的“棧分裂 (stack split)”。

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

lessstack函數

在新棧的底部，插入了一個棧入口函數lessstack。設置這個函數用于從那個導致我們用光棧空間的函數(Foobar)返回時用的。當那個函數(Foobar)返回時，我們回到lessstack（這個棧幀），lessstack會查找 stack底部的那個struct，并調整棧指針(stack pointer)，使得我們返回到前一段棧空間。這樣做之后，我們就可以將這個新棧段(stack segment)釋放掉，并繼續執行我們的程序了。

分段棧的問題

棧縮小是一個相對代價高昂的操作。如果在一個循環中調用的函數遇到棧分裂 (stack split)，進入函數時會增加棧空間(morestack 函數)，返回并釋放棧段(lessstack 函數)。性能方面開銷很大。

連續棧（continuous stacks）

go現在使用的是這套解決方案。
goroutine在棧上運行著，當用光棧空間，它遇到與舊方案中相同的棧溢出檢查。但是與舊方案采用的保留一個返 回前一段棧的link不同，新方案創建一個兩倍于原stack大小的新stack，并將舊棧拷貝到其中。
這意味著當棧實際使用的空間縮小為原先的 大小時，go運行時不用做任何事情。
棧縮小是一個無任何代價的操作（棧的收縮是垃圾回收的過程中實現的．當檢測到棧只使用了不到1/4時，棧縮小為原來的1/2）。
此外，當棧再次增長時，運行時也無需做任何事情，我們只需要重用之前分配的空閑空間即可。

如何捕獲到函數的棧空間不足

Go語言和C不同，不是使用棧指針寄存器和棧基址寄存器確定函數的棧的。

在Go的運行時庫中，每個goroutine對應一個結構體G，大致相當于進程控制塊的概念。這個結構體中存了stackbase和stackguard，用于確定這個goroutine使用的棧空間信息。每個Go函數調用的前幾條指令，先比較棧指針寄存器跟g->stackguard，檢測是否發生棧溢出。如果棧指針寄存器值超越了stackguard就需要擴展棧空間。

舊棧數據復制到新棧

舊棧數據復制到新棧的過程，要考慮指針失效問題。
Go實現了精確的垃圾回收，運行時知道每一塊內存對應的對象的類型信息。在復制之后，會進行指針的調整。具體做法是，對當前棧幀之前的每一個棧幀，對其中的每一個指針，檢測指針指向的地址，如果指向地址是落在舊棧范圍內的，則將它加上一個偏移使它指向新棧的相應地址。這個偏移值等于新棧基地址減舊棧基地址。

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總結

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