Go 协程堆栈设计进化之旅

- 后端早读课翻译计划 第四篇-

- 翻译自： a-journey-with-go

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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。

:information_source: 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
}

这个例子只是计算了两个数字中最大的一个。为了了解 Go 是如何管理协程堆栈分配的，我们可以看下 Go 的编译流程代码， 通过命令: go build -gcflags -S main.go . 输出 —— 我只保留了与堆栈有关的一些行 —— 它给我们一些有趣的信息，这些内容展示了 Go 都做了什么：

"".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。

我们看到这个方法： runtime.morestack_noctxt ，他会调用 runtime/stack.go 中的 newstack 方法:

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)
}

首先根据 gp.stack.hi 和 gp.stack.lo 的边界来计算堆栈的大小，他们是指向堆栈头部和尾部的指针。

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
}

现在我们已经了解了运行机制，我们来写个简单的例子来验证以上的内容。为了 debug，我们需要设置 stackDebug 常量，它在上面 newstack 的方法里会打印一些 debug 信息，运行：

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 指令是为了避免编译时把所有的方法都放到一行。如果都放到一行的话，我们将看不到每个方法开始时候的堆栈动态增长。

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

我们可以看到堆栈一共有 4 次增长。其实，方法开始会将堆栈增长到它需要的大小。就像我们在代码中看到的，堆栈的边界定义了堆栈的大小，所以我们可以计算每一个新的堆栈的大小 —— newstack stack=[...] 指令提供了当前堆栈边界的指针：

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

第一条指令显示了当前堆栈的地址， stack=[0xc00002e000, 0xc00002e800] ， 并把他复制到新的堆栈里，并且是之前的二倍大小， copystack [0xc00002e000 [...] 0xc00002e800] -> [0xc000076000 [...] 0xc000077000] ，4096 字节的长度和我们上面看到的一样。然后之前的堆栈将被释放： stackfree 0xc00002e000 。我们画了个图可以帮助理解上面的逻辑：

copystack 指令复制了整个堆栈，并把所有的地址都移向新的堆栈。我们可以通过一段简短的代码来很容易的发现这个现象：

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

打印出来的地址为

0xc00002e738
[...]
0xc000089f38

地址 0xc00002e738 是被包含在我们之前看到的堆栈地址之中 stack=[0xc00002e000, 0xc00002e800] ，同样的 0xc000089f38 这个地址也是包含在后一个堆栈之中 stack=[0xc000082000, 0xc00008a000] ，这两个 stack 地址是我们上面通过 debug 模式追踪到的。这也证明了确实所有的值都已经从老的堆栈移到了新的堆栈里。

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

正如我们看到的这样，堆栈大小被缩减为原来的一半，并重用了之前的堆栈地址 stack=[0xc00007e000, 0xc000082000] ，同样在 runtime/stack.go — shrinkstack() 中我们可以看到，缩减函数默认就是将当前堆栈大小除以 2：

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

当前的堆栈 stack=[0x7f8875952000, 0x7f8875953fa0] 大小是 8Kb （8192 字节 + 堆栈顶部的大小），同时新的堆栈创建大小为 18864 字节 ( 18768 字节 + 堆栈顶部的大小）。（译者注：这里比较难理解

0x7f8875953fa0 - 0x7f8875952000 并不到 8Kb，应该是笔误，应该是 8096 字节）

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;

其中常量 StackExtra 是 2048 , StackMin 是 8192 ， StackSystem 从 0 到 512 都有可能（译者注：根据平台来判断的）

所以我们新的堆栈包括了 ： 16016 (frame size) + 800 (arguments) + 2048 (StackExtra) + 0 (StackSystem) 。

一旦所有的函数都调用完毕，新的堆栈将被释放（log runtime: oldstack )。这个行为是迫使 Golang 团队转移到连续堆栈的原因之一：

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。

https://docs.google.com/document/d/1wAaf1rYoM4S4gtnPh0zOlGzWtrZFQ5suE8qr2sD8uWQ/pub

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。

阅读原文： https://medium.com/a-journey-with-go/go-how-does-the-goroutine-stack-size-evolve-447fc02085e5

扩展阅读：

contiguous stack

contiguous stack in Go 1.3

StackExtra

StackMin

StackSystem

talks about the redzone

frames in the stack

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