Go 语言内存管理三部曲(二)解密栈内存管理

应用程序的内存会分成堆区(Heap)和栈区(Stack)两个部分,程序在运行期间可以主动从堆区申请内存空间,这些内存由内存分配器分配并由垃圾收集器负责回收。栈区的内存由编译器自动进行分配和释放,栈区中存储着函数的参数以及局部变量,它们会随着函数的创建而创建,函数的返回而销毁。

  • 堆和栈都是编程语言里的虚拟概念,并不是说在物理内存上有堆和栈之分,两者的主要区别是栈是每个线程或者协程独立拥有的,从栈上分配内存时不需要加锁。而整个程序在运行时只有一个堆,从堆中分配内存时需要加锁防止多个线程造成冲突,同时回收堆上的内存块时还需要运行可达性分析、引用计数等算法来决定内存块是否能被回收,所以从分配和回收内存的方面来看栈内存效率更高。

在Go应用程序运行时,每个goroutine都维护着一个自己的栈区,这个栈区只能自己使用不能被其他goroutine使用。栈区的初始大小是 2KB(比 x86_64 架构下线程的默认栈 2M 要小很多),在goroutine运行的时候栈区会按照需要增长和收缩,占用的内存最大限制的默认值在 64 位系统上是 1GB。栈大小的初始值和上限这部分的设置都可以在Go的源码runtime/stack.go里找到:

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

var maxstacksize uintptr = 1 << 20 // enough until runtime.main sets it for real

其实栈内存空间、结构和初始大小在最开始并不是 2KB,也是经过了几个版本的更迭

  • v1.0 ~ v1.1 — 最小栈内存空间为 4KB;
  • v1.2 — 将最小栈内存提升到了 8KB;
  • v1.3 — 使用连续栈替换之前版本的分段栈;
  • v1.4 — 将最小栈内存降低到了 2KB;

分段栈和连续栈

分段栈

Go 1.3 版本前使用的栈结构是分段栈,随着goroutine 调用的函数层级的深入或者局部变量需要的越来越多时,运行时会调用 runtime.morestack 和 runtime.newstack创建一个新的栈空间,这些栈空间是不连续的,但是当前 goroutine 的多个栈空间会以双向链表的形式串联起来,运行时会通过指针找到连续的栈片段: 11

分段栈虽然能够按需为当前 goroutine 分配内存并且及时减少内存的占用,但是它也存在一个比较大的问题:

  • 如果当前 goroutine 的栈几乎充满,那么任意的函数调用都会触发栈的扩容,当函数返回后又会触发栈的收缩,如果在一个循环中调用函数,栈的分配和释放就会造成巨大的额外开销,这被称为热分裂问题(Hot split)。

为了解决这个问题,Go 在 1.2 版本的时候不得不将栈的初始化内存从 4KB 增大到了 8KB。后来把采用连续栈结构后,又把初始栈大小减小到了 2KB。

连续栈

连续栈可以解决分段栈中存在的两个问题,其核心原理就是每当程序的栈空间不足时,初始化一片比旧栈大两倍的新栈并将原栈中的所有值都迁移到新的栈中,新的局部变量或者函数调用就有了充足的内存空间。使用连续栈机制时,栈空间不足导致的扩容会经历以下几个步骤:

  • 调用用runtime.newstack在内存空间中分配更大的栈内存空间;
  • 使用runtime.copystack将旧栈中的所有内容复制到新的栈中;
  • 将指向旧栈对应变量的指针重新指向新栈;
  • 调用runtime.stackfree销毁并回收旧栈的内存空间;

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copystack会把旧栈里的所有内容拷贝到新栈里然后调整所有指向旧栈的变量的指针指向到新栈, 我们可以用下面这个程序验证下,栈扩容后同一个变量的内存地址会发生变化。

package main

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

程序的输出可以看到在栈扩容前后,变量x的内存地址的变化:

0xc000030738
...
...
0xc000081f38

栈区的内存管理

前面说了每个goroutine都维护着自己的栈区,栈结构是连续栈,是一块连续的内存,在goroutine的类型定义的源码里我们可以找到标记着栈区边界的stack信息,stack里记录着栈区边界的高位内存地址和低位内存地址:

type g struct {
    stack       stack
  ...
}

type stack struct {
    lo uintptr
    hi uintptr
}

栈空间在运行时中包含两个重要的全局变量,分别是 runtime.stackpool 和runtime.stackLarge,这两个变量分别表示全局的栈缓存和大栈缓存,前者可以分配小于 32KB 的内存,后者用来分配大于 32KB 的栈空间:

全局栈缓存

    // Number of orders that get caching. Order 0 is FixedStack
    // and each successive order is twice as large.
    // We want to cache 2KB, 4KB, 8KB, and 16KB stacks. Larger stacks
    // will be allocated directly.
    // Since FixedStack is different on different systems, we
    // must vary NumStackOrders to keep the same maximum cached size.
    //   OS               | FixedStack | NumStackOrders
    //   -----------------+------------+---------------
    //   linux/darwin/bsd | 2KB        | 4
    //   windows/32       | 4KB        | 3
    //   windows/64       | 8KB        | 2
    //   plan9            | 4KB        | 3
_NumStackOrders = 4 - sys.PtrSize/4*sys.GoosWindows - 1*sys.GoosPlan9

var stackpool [_NumStackOrders]mSpanList

type stackpoolItem struct {
    mu   mutex
    span mSpanList
}

var stackLarge struct {
    lock mutex
    free [heapAddrBits - pageShift]mSpanList
}

//go:notinheap
type mSpanList struct {
    first *mspan // first span in list, or nil if none
    last  *mspan // last span in list, or nil if none
}

可以看到这两个用于分配空间的全局变量都与内存管理单元 runtime.mspan 有关,所以我们栈内容的申请也是跟前面文章里的一样,先去当前线程的对应尺寸的mcache里去申请,不够的时候mache会从全局的mcental里取内存等等。

其实从调度器和内存分配的角度来看,如果运行时只使用全局变量来分配内存的话,势必会造成线程之间的锁竞争进而影响程序的执行效率,栈内存由于与线程关系比较密切,所以在每一个线程缓存 runtime.mcache 中都加入了栈缓存减少锁竞争影响。

type mcache struct {
  ...
  alloc [numSpanClasses]*mspan

    stackcache [_NumStackOrders]stackfreelist
  ...
}

type stackfreelist struct {
    list gclinkptr
    size uintptr
}

栈扩容

编译器会为函数调用插入运行时检查runtime.morestack,它会在几乎所有的函数调用之前检查当前goroutine 的栈内存是否充足,如果当前栈需要扩容,会调用runtime.newstack 创建新的栈:

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)
}

旧栈的大小是通过我们上面说的保存在goroutine中的stack信息里记录的栈区内存边界计算出来的,然后用旧栈两倍的大小创建新栈,创建前会检查是新栈的大小是否超过了单个栈的内存上限。

   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")
   }

如果目标栈的大小没有超出程序的限制,会将 goroutine 切换至 _Gcopystack 状态并调用 runtime.copystack 开始栈的拷贝,在拷贝栈的内存之前,运行时会先通过runtime.stackalloc 函数分配新的栈空间:

func copystack(gp *g, newsize uintptr) {
    old := gp.stack
    used := old.hi - gp.sched.sp
  // 创建新栈
    new := stackalloc(uint32(newsize))
    ...
  // 把旧栈的内容拷贝至新栈
    memmove(unsafe.Pointer(new.hi-ncopy), unsafe.Pointer(old.hi-ncopy), ncopy)
  ...
  // 调整指针
  adjustctxt(gp, &adjinfo)
  // groutine里记录新栈的边界
  gp.stack = new
  ...
  // 释放旧栈
  stackfree(old)
}

新栈的初始化和数据的复制是一个比较简单的过程,整个过程中最复杂的地方是将指向源栈中内存的指针调整为指向新的栈,这一步完成后就会释放掉旧栈的内存空间了。

我们可以通过修改一下源码文件runtime.stack.go,把常量stackDebug的值修改为 1,使用命令 go build -gcflags -S main.go 运行文章最开始的那个例子,观察栈的初始化和扩容过程:

stackalloc 2048
stackcacherefill order=0
  allocated 0xc000030000
...
copystack gp=0xc000000180 [0xc000030000 0xc0000306e0 0xc000030800] -> [0xc00005c000 0xc00005cee0 0xc00005d000]/4096
stackfree 0xc000030000 2048
stack grow done
...
copystack gp=0xc000000180 [0xc00005c000 0xc00005c890 0xc00005d000] -> [0xc000064000 0xc000065890 0xc000066000]/8192
stackfree 0xc00005c000 4096
stack grow done
...
copystack gp=0xc000000180 [0xc000064000 0xc000065890 0xc000066000] -> [0xc00006c000 0xc00006f890 0xc000070000]/16384
stackfree 0xc000064000 8192
stack grow done
...
copystack gp=0xc000000180 [0xc00006c000 0xc00006f890 0xc000070000] -> [0xc000070000 0xc000077890 0xc000078000]/32768
stackfree 0xc00006c000 16384
stack grow done

栈缩容

在goroutine运行的过程中,如果栈区的空间使用率不超过 1/4,那么在垃圾回收的时候使用runtime.shrinkstack进行栈缩容,当然进行缩容前会执行一堆前置检查,都通过了才会进行缩容

func shrinkstack(gp *g) {
    ...
    oldsize := gp.stack.hi - gp.stack.lo
    newsize := oldsize / 2
    if newsize < _FixedStack {
        return
    }
    avail := gp.stack.hi - gp.stack.lo
    if used := gp.stack.hi - gp.sched.sp + _StackLimit; used >= avail/4 {
        return
    }

    copystack(gp, newsize)
}

如果要触发栈的缩容,新栈的大小会是原始栈的一半,不过如果新栈的大小低于程序的最低限制 2KB,那么缩容的过程就会停止。缩容也会调用扩容时使用的 runtime.copystack 函数开辟新的栈空间,将旧栈的数据拷贝到新栈以及调整原来指针的指向。

在我们上面的那个例子里,当main函数里的其他函数执行完后,只有main函数还在栈区的空间里,如果这个时候系统进行垃圾回收就会对这个goroutine的栈区进行缩容。在这里我们可以在程序里通过调用runtime.GC,强制系统进行垃圾回收,来试验看一下栈缩容的过程和效果:

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

执行命令 go build -gcflags -S main.go 后会看到类似下面的输出。

...
shrinking stack 32768->16384
stackalloc 16384
  allocated 0xc000076000
copystack gp=0xc000000180 [0xc00007a000 0xc000081e60 0xc000082000] -> [0xc000076000 0xc000079e60 0xc00007a000]/16384
...

总结

栈内存是应用程序中重要的内存空间,它能够支持本地的局部变量和函数调用,栈空间中的变量会与栈一同创建和销毁,这部分内存空间不需要工程师过多的干预和管理,现代的编程语言通过逃逸分析减少了我们的工作量,理解栈空间的分配对于理解 Go 语言的运行时有很大的帮助。

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