Go源码：协程栈

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小卜邪
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    原文：Go源码：协程栈

    提示

    前言

    在1.4版本之前go的协程栈管理使用分段栈机制实现。实现方式：当检测到函数需要更多栈时，分配一块新栈，旧栈和新栈使用指针连接起来，函数返回就释放。 这样的机制存在2个问题：

    • 多次循环调用同一个函数会出现“hot split”问题，例子：stacksplit.go
    • 每次分配和释放都要额外消耗

    为了解决这2个问题，官方使用：连续栈。连续栈的实现方式：当检测到需要更多栈时，分配一块比原来大一倍的栈，把旧栈数据copy到新栈，释放旧栈。

    连续栈

    栈的扩容和缩容代码量很大，所以精简了很大一部分。在看连续栈的源码前我们不妨思考一下下面的问题：
    • 扩容和缩容的触发条件是什么？
    • 扩容和缩容的大小如何计算出来？
    • 扩容和缩容这个过程做了什么？对性能是否有影响？

    栈扩容

    func newstack() {
    thisg := getg()
    ......
    gp := thisg.m.curg
    ......
    // Allocate a bigger segment and move the stack.
    oldsize := gp.stack.hi - gp.stack.lo
    newsize := oldsize * 2 // 比原来大一倍
    ......
    // The goroutine must be executing in order to call newstack,
    // so it must be Grunning (or Gscanrunning).
    casgstatus(gp, _Grunning, _Gcopystack) //修改协程状态

    // 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) //在下面会讲到
    ......
    casgstatus(gp, _Gcopystack, _Grunning)
    gogo(&gp.sched)
}

    每一个函数执行都要占用栈空间，用于保存变量，参数等。运行在协程里的函数自然是占用运行它的协程栈。但协程的栈是有限的，如果发现不够用，会调用stackalloc分配一块新的栈，大小比原来大一倍。

    栈缩容

    func shrinkstack(gp *g) {
    gstatus := readgstatus(gp)
    ......
    oldsize := gp.stack.hi - gp.stack.lo
    newsize := oldsize / 2 // 比原来小1倍
    // Don't shrink the allocation below the minimum-sized stack
    // allocation.
    if newsize < _FixedStack {
        return
    }
    // Compute how much of the stack is currently in use and only
    // shrink the stack if gp is using less than a quarter of its
    // current stack. The currently used stack includes everything
    // down to the SP plus the stack guard space that ensures
    // there's room for nosplit functions.
    avail := gp.stack.hi - gp.stack.lo
    //当已使用的栈占不到总栈的1/4 进行缩容
    if used := gp.stack.hi - gp.sched.sp + _StackLimit; used >= avail/4 {
        return
    }

    copystack(gp, newsize, false) //在下面会讲到
}

    栈的缩容主要是发生在GC期间。一个协程变成常驻状态，繁忙时需要占用很大的内存，但空闲时占用很少，这样会浪费很多内存，为了避免浪费Go在GC时对协程的栈进行了缩容，缩容也是分配一块新的内存替换原来的，大小只有原来的1/2。

    扩容和缩容这个过程做了什么？

    func copystack(gp *g, newsize uintptr, sync bool) {
    ......
    old := gp.stack
    ......
    used := old.hi - gp.sched.sp

    // allocate new stack
    new := stackalloc(uint32(newsize))
    ......
    // Compute adjustment.
    var adjinfo adjustinfo
    adjinfo.old = old
    adjinfo.delta = new.hi - old.hi //用于旧栈指针的调整

    //后面有机会和 select / chan 一起分析
    // Adjust sudogs, synchronizing with channel ops if necessary.
    ncopy := used
    if sync {
        adjustsudogs(gp, &adjinfo)
    } else {
        ......
        adjinfo.sghi = findsghi(gp, old)

        // Synchronize with channel ops and copy the part of
        // the stack they may interact with.
        ncopy -= syncadjustsudogs(gp, used, &adjinfo)
    }
    //把旧栈数据复制到新栈
    // Copy the stack (or the rest of it) to the new location
    memmove(unsafe.Pointer(new.hi-ncopy), unsafe.Pointer(old.hi-ncopy), ncopy)

    // Adjust remaining structures that have pointers into stacks.
    // We have to do most of these before we traceback the new
    // stack because gentraceback uses them.
    adjustctxt(gp, &adjinfo)
    adjustdefers(gp, &adjinfo)
    adjustpanics(gp, &adjinfo)
    ......
    // Swap out old stack for new one
    gp.stack = new
    gp.stackguard0 = new.lo + _StackGuard // NOTE: might clobber a preempt request
    gp.sched.sp = new.hi - used
    gp.stktopsp += adjinfo.delta
    // Adjust pointers in the new stack.
    gentraceback(^uintptr(0), ^uintptr(0), 0, gp, 0, nil, 0x7fffffff, adjustframe, noescape(unsafe.Pointer(&adjinfo)), 0)
    ......
    //释放旧栈
    stackfree(old)
}

    在扩容和缩容这个过程中，做了很多调整。从连续栈的实现方式上我们了解到，不管是扩容还是缩容，都重新申请一块新栈，然后把旧栈的数据复制到新栈。协程占用的物理内存完全被替换了，而Go在运行时会把指针保存到内存里面，例如：gp.sched.ctxt ，gp._defer ，gp._panic，包括函数里的指针。这部分指针值会被转换成整数型uintptr，然后 + delta进行调整。

    func adjustpointer(adjinfo *adjustinfo, vpp unsafe.Pointer) {
    pp := (*uintptr)(vpp)
    p := *pp
    ......
    //如果这个整数型数字在旧栈的范围，就调整
    if adjinfo.old.lo <= p && p < adjinfo.old.hi {
        *pp = p + adjinfo.delta
        ......
    }
}

    Frame调整

    如果只是想了解栈的扩缩容，上面就够了。这部分深入到细节，没兴趣可以跳过。在了解Frame调整前，先了解下 Stack Frame。Stack Frame ：函数运行时占用的内存空间，是栈上的数据集合，它包括：

    • Local variables
    • Saved copies of registers modified by subprograms that could need restoration
    • Argument parameters
    • Return address

    FP，SP，PC ，LR

    • FP: Frame Pointer

      – Points to the bottom of the argument list

    • SP: Stack Pointer

      – Points to the top of the space allocated for local variables

    • PC: Program Counter
    • LR：Caller's Program Counter

    Stack frame layout

    // (x86)  
// +------------------+  
// | args from caller |  
// +------------------+ <- frame->argp  
// |  return address  |  
// +------------------+  
// |  caller's BP (*) | (*) if framepointer_enabled && varp < sp  
// +------------------+ <- frame->varp  
// |     locals       |  
// +------------------+  
// |  args to callee  |  
// +------------------+ <- frame->sp

    在Go里针对X86和ARM的Stack frame layout会不一样，这里只对X86进行分析。

    为了直观看到Frame调整的结果，我们看下面的例子：
    func bb(a *int, aa *int) {
    var v1 int
    println("v1 before morestack", uintptr(unsafe.Pointer(&v1)))

    cc(0)

    println("a after morestack", uintptr(unsafe.Pointer(a)))
    println("aa after morestack", uintptr(unsafe.Pointer(aa)))
    println("v1 after morestack", uintptr(unsafe.Pointer(&v1)))
}

// for morestack
func cc(i int){
    i++
    if i >= 30 {
        println("morestack done")
    }else{
        cc(i)
    }
}

func main()  {
    wg := sync.WaitGroup{}
    wg.Add(1)
    go func() {
        var a, aa int
        a = 1000
        aa = 1000

        println("a before morestack", uintptr(unsafe.Pointer(&a)))
        println("aa before morestack", uintptr(unsafe.Pointer(&aa)))

        bb(&a, &aa)
        wg.Done()
    }()
    wg.Wait()
}

    结果：

    a before morestack 824633925560
aa before morestack 824633925552
v1 before morestack 824633925504
morestack done
a after morestack 824634142648
aa after morestack 824634142640
v1 after morestack 824634142592

    从结果看出bb的参数a，aa和变量v1地址在经过扩容后发生了变化，这个变化是怎么实现的呢？我们主要围绕下面3个问题进行分析：

    1. 如何确认函数Frame的位置
    2. 如何找到函数参数，变量的指针
    3. 如何确认父函数的Frame

    从gentraceback开始

    func gentraceback(pc0, sp0, lr0 uintptr, gp *g, skip int, pcbuf *uintptr, max int, callback func(*stkframe, unsafe.Pointer) bool, v unsafe.Pointer, flags uint) int {
    ......
    g := getg()
    ......
    if pc0 == ^uintptr(0) && sp0 == ^uintptr(0) { // Signal to fetch saved values from gp.
        if gp.syscallsp != 0 {
            ......
        } else {
            //运行位置
            pc0 = gp.sched.pc
            sp0 = gp.sched.sp
            ......
        }
    }
    nprint := 0
    var frame stkframe
    frame.pc = pc0
    frame.sp = sp0
    ......
    f := findfunc(frame.pc)
    ......
    frame.fn = f

    n := 0
    for n < max {
        ......
        f = frame.fn
        if f.pcsp == 0 {
            // No frame information, must be external function, like race support.
            // See golang.org/issue/13568.
            break
        }
        ......
        if frame.fp == 0 {
            sp := frame.sp
            ......
            //计算FP
            frame.fp = sp + uintptr(funcspdelta(f, frame.pc, &cache))
            if !usesLR {
                // On x86, call instruction pushes return PC before entering new function.
                frame.fp += sys.RegSize
            }
        }
        var flr funcInfo
        if topofstack(f, gp.m != nil && gp == gp.m.g0) {
            ......
        } else if usesLR && f.funcID == funcID_jmpdefer {
            ......
        } else {
            var lrPtr uintptr
            if usesLR {
                ......
            } else {
                if frame.lr == 0 {
                    //获取调用函数的PC值
                    lrPtr = frame.fp - sys.RegSize
                    frame.lr = uintptr(*(*sys.Uintreg)(unsafe.Pointer(lrPtr)))
                }
            }
            flr = findfunc(frame.lr)
            ......
        }

        frame.varp = frame.fp
        if !usesLR {
            // On x86, call instruction pushes return PC before entering new function.
            frame.varp -= sys.RegSize
        }
        ......
        if framepointer_enabled && GOARCH == "amd64" && frame.varp > frame.sp {
            frame.varp -= sys.RegSize
        }
        ......
        if callback != nil || printing {
            frame.argp = frame.fp + sys.MinFrameSize
            ......
        }
        ......
        //当前为调整frame
        if callback != nil {
            if !callback((*stkframe)(noescape(unsafe.Pointer(&frame))), v) {
                return n
            }
        }
        ......
        n++
    skipped:
        ......
    //确认父Frame
        // Unwind to next frame.
        frame.fn = flr
        frame.pc = frame.lr
        frame.lr = 0
        frame.sp = frame.fp
        frame.fp = 0
        frame.argmap = nil
        ......
    }
    ......
    return n
}
    gentraceback代码量很大，这里根据Frame调整传的参数和我们将要探索部分进行了精简。精简后还是很长，不用担心，我们一层一层剥开这个函数。

    • 确认当前位置

      当发生扩缩容时，Go的runtime已经把PC保存到gp.sched.pc，SP保存到gp.sched.sp。

    • 找出函数信息

      函数的参数、变量个数，frame size，file line等信息，编译通过后被保存进执行文件，执行时被加载进内存，这部分数据可以通过PC获取出来：findfunc -> findmoduledatap 
      func findmoduledatap(pc uintptr) *moduledata {
       for datap := &firstmoduledata; datap != nil; datap = datap.next {
           if datap.minpc <= pc && pc < datap.maxpc {
               return datap
           }
       }
       return nil
}
    • 计算FP

    stack frame

    frame.fp = sp + uintptr(funcspdelta(f, frame.pc, &cache))
    SP我们可以理解为函数的顶端，FP是函数的底部，有了SP，缺函数长度（frame size）。其实我们可以根据pcsp获取，因为它已经被映射进了内存，详情请看Go 1.2 Runtime Symbol Information。知道了FP和SP，我们就可以知道函数在协程栈的具体位置。

    • 获取父函数PC指令(LR)

      lrPtr = frame.fp - sys.RegSize
frame.lr = uintptr(*(*sys.Uintreg)(unsafe.Pointer(lrPtr)))
      父函数的PC指令放在了stack frame图的return address位置，我们可以直接拿出来，根据这个指令我们获得父函数的信息。
    • 确认父函数Frame
    frame.fn = flr
frame.pc = frame.lr
frame.lr = 0
frame.sp = frame.fp
frame.fp = 0
frame.argmap = nil
    从stack frame图可以看到子函数的FP等于父函数SP。知道了父函数的SP和PC，重复上面的步骤就可以找出函数所在整条调用链，我们平时看到panic出现的调用链就是这样出来的。

    以adjustframe结束

    func adjustframe(frame *stkframe, arg unsafe.Pointer) bool {
    adjinfo := (*adjustinfo)(arg)
    ......
    f := frame.fn
    ......
    locals, args := getStackMap(frame, &adjinfo.cache, true)
    // Adjust local variables if stack frame has been allocated.
    if locals.n > 0 {
        size := uintptr(locals.n) * sys.PtrSize
        adjustpointers(unsafe.Pointer(frame.varp-size), &locals, adjinfo, f)
    }

    // Adjust saved base pointer if there is one.
    if sys.ArchFamily == sys.AMD64 && frame.argp-frame.varp == 2*sys.RegSize {
        ......
        adjustpointer(adjinfo, unsafe.Pointer(frame.varp))
    }
    // Adjust arguments.
    if args.n > 0 {
        ......
        adjustpointers(unsafe.Pointer(frame.argp), &args, adjinfo, f)
    }
    return true
}
    通过gentraceback获取frame在协程栈的准确位置，结合 Stack frame layout，我们就可以知道函数参数argp和变量varp地址。在64位系统，每个指针占用8个字节。以8做为步长，就可得出函数参数和变量里的指针并进行调整。

    来到这里协程栈的源码分析已经完成，通过上面我们了解到连续栈具体实现方式，收获不少，接下来看看连续栈缺点和收益。

    连续栈的缺点

    连续栈虽然解决了分段栈的2个问题，但这种实现方式也会带来其他问题：

    • 更多的虚拟内存碎片。尤其是你需要更大的栈时，分配一块连续的内存空间会变得更困难
    • 指针会被限制放入栈。在go里面不允许二个协程的指针相互指向。这会增加实现的复杂性。

    收益

    这部分数据来自Contiguous stacks。

    • 栈增长1倍快了10%，增长50%只快了2%，增长25%慢了20%
    • Hot split性能问题。
    segmented stacks:

no split: 1.25925147s
with split: 5.372118558s   <- 出发了 hot split 问题
both split: 1.293200571s

contiguous stacks:

no split: 1.261624848s
with split: 1.262939769s
both split: 1.29008309s

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