- 后端早读课翻译计划 第四篇-

- 翻译自： a-journey-with-go

后端早读课

本文详细讲述了 Golang 中，堆栈设计理念以及演变过程。描述了从 Segment Stack 到 Contiguous Stack 、初始堆栈大小从 8Kb 到 2Kb 的原因。

ℹ️ 文章基于 Go 1.12.

Go 提供了一个轻量且智能的协程管理机制。轻量是因为协程堆栈初始化只有 2Kb，智能是因为协程堆栈可以根据我们的需要自动增加 / 减少。

堆栈的大小定义，我们可以在这里找到 runtime/stack.go:

// The minimum size of stack used by Go code
_StackMin = 2048

我们需要注意的是，它曾经在以下版本的时间里进行过优化：

  • Go 1.2: 协程堆栈从 4Kb 增长到 8Kb.

  • Go 1.4: 协程堆栈从 8Kb 减少到 2Kb.

协程堆栈大小的变化主要是因为堆栈分配策略的变化。在文章后面我们一会儿将会提到这个问题。

默认的堆栈大小有的时候并不能满足我们运行的程序。这时候 Go 就会自动的调整堆栈大小。

动态堆栈大小

如果 Go 可以自动的增长栈空间大小，那么也意味着他可以决定堆栈大小到底有没有必要需要修改。让我们看一个例子，分析一下它是怎么工作的：

func main() {
   a := 1
   b := 2

   r := max(a, b)
   println(`max: `+strconv.Itoa(r))
}

func max(a int, b int) int {
   if a >= b {
      return a
   }

   return b
}

go build -gcflags -S main.go


"".main STEXT size=186 args=0x0 locals=0x70
   0x0000 00000 (/go/src/main.go:5)    TEXT   "".main(SB), 
   ABIInternal, $112-0
   [...]
   0x00b0 00176 (/go/src/main.go:5) CALL   
   runtime.morestack_noctxt(SB)
[...]
0x0000 00000 (/go/src/main.go:13)    TEXT   "".max(SB), 
NOSPLIT|ABIInternal, $0-24
有两条指令涉及到栈大小的更改：

- CALL runtime.morestack_noctxt: 这个方法会在需要的时候增加堆栈大小。

-NOSPLIT: 这条指令的意味着堆栈不需要溢出检测，他与指令  //go:nosplit .比较相似。

runtime.morestack_noctxtruntime/stack.gonewstack

func newstack() {
   [...]
   // Allocate a bigger segment and move the stack.
   oldsize := gp.stack.hi - gp.stack.lo
   newsize := oldsize * 2
   if newsize > maxstacksize {
       print("runtime: goroutine stack exceeds ", maxstacksize, "-byte limit\n")
      throw("stack overflow")
   }

   // The goroutine must be executing in order to call newstack,
   // so it must be Grunning (or Gscanrunning).
   casgstatus(gp, _Grunning, _Gcopystack)

   // The concurrent GC will not scan the stack while we are doing the copy since
   // the gp is in a Gcopystack status.
   copystack(gp, newsize, true)
   if stackDebug >= 1 {
      print("stack grow done\n")
   }
   casgstatus(gp, _Gcopystack, _Grunning)
}

gp.stack.higp.stack.lo

type stack struct {
   lo uintptr
   hi uintptr
}

然后堆栈大小被乘以 2 倍，如果它没有达到最大值的话 —— 最大值与系统架构有关。


// Max stack size is 1 GB on 64-bit, 250 MB on 32-bit.
// Using decimal instead of binary GB and MB because
// they look nicer in the stack overflow failure message.
if sys.PtrSize == 8 {
   maxstacksize = 1000000000
} else {
   maxstacksize = 250000000
}

stackDebugnewstack

func main() {
   var x [10]int
   a(x)
}

//go:noinline
func a(x [10]int) {
   println(`func a`)
   var y [100]int
   b(y)
}

//go:noinline
func b(x [100]int) {
   println(`func b`)
   var y [1000]int
   c(y)
}

//go:noinline
func c(x [1000]int) {
   println(`func c`)
}

//go:noinline

下面是一部分的 debug 日志：

runtime: newstack sp=0xc00002e6d8 stack=[0xc00002e000, 0xc00002e800]
stack grow done
func a
runtime: newstack sp=0xc000076888 stack=[0xc000076000, 0xc000077000]
stack grow done
runtime: newstack sp=0xc00003f888 stack=[0xc00003e000, 0xc000040000]
stack grow done
runtime: newstack sp=0xc000081888 stack=[0xc00007e000, 0xc000082000]
stack grow done
func b
runtime: newstack sp=0xc0000859f8 stack=[0xc000082000, 0xc00008a000]
func c

newstack stack=[...]
runtime: newstack sp=0xc00002e6d8 stack=[0xc00002e000, 0xc00002e800]
0xc00002e800 - 0xc00002e000 = 2048
runtime: newstack sp=0xc000076888 stack=[0xc000076000, 0xc000077000]
0xc000077000 - 0xc000076000 = 4096
runtime: newstack sp=0xc00003f888 stack=[0xc00003e000, 0xc000040000]
0xc000040000 - 0xc00003e000 = 8192
runtime: newstack sp=0xc000081888 stack=[0xc00007e000, 0xc000082000]
0xc000082000 - 0xc00007e000 = 16384
runtime: newstack sp=0xc0000859f8 stack=[0xc000082000, 0xc00008a000]
0xc00008a000 - 0xc000082000 = 32768

我们可以看到在编译时 Goroutine 的栈空间初始大小为 2Kb ，在函数起始的地方增长到它所需要的大小，直到大小已经满足运行条件或者达到了系统限制。

堆栈分配管理

动态堆栈分配系统并不是唯一影响我们应用原因。不过，堆栈分配方式也可能会对应用产生很大的影响。通过两个完整的日志跟踪让我们试着理解它是如何管理堆栈的。让我们尝试从前两个堆栈增长的跟踪中了解 Go 是如何进行堆栈管理的：

runtime: newstack sp=0xc00002e6d8 stack=[0xc00002e000, 0xc00002e800]
copystack gp=0xc000000300 [0xc00002e000 0xc00002e6e0 0xc00002e800] -> [0xc000076000 0xc000076ee0 0xc000077000]/4096
stackfree 0xc00002e000 2048
stack grow done
runtime: newstack sp=0xc000076888 stack=[0xc000076000, 0xc000077000]
copystack gp=0xc000000300 [0xc000076000 0xc000076890 0xc000077000] -> [0xc00003e000 0xc00003f890 0xc000040000]/8192
stackfree 0xc000076000 4096
stack grow done

stack=[0xc00002e000, 0xc00002e800]copystack [0xc00002e000 [...] 0xc00002e800] -> [0xc000076000 [...] 0xc000077000]stackfree 0xc00002e000
copystack
func main() {
   var x [10]int
   println(&x)
   a(x)
   println(&x)
}

打印出来的地址为

0xc00002e738
[...]
0xc000089f38

0xc00002e738stack=[0xc00002e000, 0xc00002e800]0xc000089f38stack=[0xc000082000, 0xc00008a000]

另外，有趣的是，当垃圾回收被触发时，堆栈会缩小（译者注：一点也不 interesting）。

在我们的例子中，在函数调用之后，堆栈中除了主函数外没有其他的有效函数调用，所以在垃圾回收启动的时候，系统会将堆栈进行缩减。为了证明这个问题，我们可以强制进行垃圾回收：

func main() {
   var x [10]int
   println(&x)
   a(x)
   runtime.GC()
   println(&x)
}

Debug 程序会展示出堆栈缩减的日志：

func c
shrinking stack 32768->16384
copystack gp=0xc000000300 [0xc000082000 0xc000089e60 0xc00008a000] -> [0xc00007e000 0xc000081e60 0xc000082000]/16384

stack=[0xc00007e000, 0xc000082000]runtime/stack.go — shrinkstack()
oldsize := gp.stack.hi - gp.stack.lo
newsize := oldsize / 2
连续堆栈 VS 分段堆栈

将堆栈复制到更大的堆栈空间中的策略称之为 连续堆栈（contiguous stack），与 分段堆栈（segmented stack）正好相反。Go 在 1.3 版本中迁移到了连续堆栈的策略。为了看看他们的不同，我们可以在 Go 1.2 版本中跑相同的例子看看。同样，我们需要修改 stackDebug 变量来展示 Debug 跟踪信息。为此，由于 Go 1.2 的 runtime 是用 C 语言写的，所以我们只能重新编译源代码.。这里是例子的运行结果：

func a
runtime: newstack framesize=0x3e90 argsize=0x320 sp=0x7f8875953848 stack=[0x7f8875952000, 0x7f8875953fa0]
   -> new stack [0xc21001d000, 0xc210021950]
func b
func c
runtime: oldstack gobuf={pc:0x400cff sp:0x7f8875953858 lr:0x0} cret=0x1 argsize=0x320

stack=[0x7f8875952000, 0x7f8875953fa0]0x7f8875953fa0 - 0x7f8875952000

内存大小分配的逻辑如下：

// allocate new segment.
framesize += argsize;
framesize += StackExtra;   // room for more functions, Stktop.
if(framesize < StackMin)
   framesize = StackMin;
framesize += StackSystem;

StackExtraStackMinStackSystem
16016 (frame size) + 800 (arguments) + 2048 (StackExtra) + 0 (StackSystem)
oldstack

当前分段堆栈机制有一个 “热分离（ hot split）”的问题 —— 如果堆栈快满了，那么函数调用会引起一个新的堆栈块被分配。当所有的函>数调用返回时，新的堆栈块也被回收了。如果同样的调用方式密集地重复发生，分配 / 回收 将会导致大量的开销。

因为这个问题，Go 1.2 将最小堆栈大小增长到了 8Kb。之后因为实现了连续堆栈，则将堆栈大小缩减回了 2Kb。

下图是分段堆栈的演示图：

总结

Go 的堆栈管理是非常高效的，而且容易理解。Golang 不是唯一一个没有选择分段堆栈的语言， Rust 语言因为同样的原因而没有选择这个方案。

如果你想了解更深入的堆栈内容，可以阅读 Dave Cheney 的博客文章，该文章讨论了 redzone ，还有 Bill Kennedy 的文章解释了堆栈中的 frames。

扩展阅读： 
后端早读课