golang 如何处理栈？

前言

我们先看看其他语言是如何处理栈，在Java中，默认的栈大小是1M，可以通过-XX:ThreadStackSize参数控制,当新建一个线程时，会向内核申请指定的栈大小。但是固定的栈大小如果设置过大，可能会浪费内存，设置过小，可能导致栈溢出。在golang 语言中，goroutine 是轻量的用户级协程，使用者不需要有很大的负担，不用像Java,C++一样设置线程池来处理任务。所以一个应用可以开启上万个goroutine。go 采用的就是按需分配，默认每个栈大小为2k,当空间不够，可以 "栈增长"。

一个协程的栈空间主要对应方法执行过程中的栈帧的压栈出栈。每个方法对应一个栈帧

int a(int m, int n) {
    if (m == 0) {
        return n + 1;
    } else if (m > 0 && n == 0) {
        return a(m - 1, 1);
    } else {
        return a(m - 1, a(m, n - 1));
    }
}

如下方法将产生极大的递归调用，从而导致栈空间特别大，如果采用固定栈大小，和容易栈溢出。

golang 在早期采用分段栈的方式来进行栈增长，但是会带来hot split 问题，栈拷贝解决了该问题，目前默认是采用栈拷贝。

分段栈（segment stack）

goroutine 初始化是默认是2k的栈空间，那么是如何检测到栈空间不够？其实编译器会在每个方法的入口处,插入一个方法 morestack判断是否需要栈增长，当栈帧不断出栈，goroutine 已经不需要使用那么多栈空间，编译器在方法的返回处插入一个方法lessstack用来判断是否收缩栈大小。

如下图所示，当执行Foobar方法时，进行了栈增长，那么此时会栈分裂（stack split）,在新的栈分段的栈底压入一个stack info ,记入上一个栈分段的信息（包括地址等），然后压入lessstack 和 Foobar栈帧，若Foobar 执行完并没有新的栈帧入栈，那么会执行lessstack 进行收缩。

go build -gcflags -S main.go //查看汇编代码，可以看到morestack

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

Hot split?

如上若是，如果Foobar 方法是在一个循环中调用，那么会导致该goroutine 的栈空间频繁的增长和收缩，这个对性能损耗是极大的，这个就是 hot split 问题。我们来看看栈拷贝是如何解决

连续栈（Contiguous stack）

连续栈又叫栈拷贝（stack copying）

栈拷贝栈增长和分段栈是一样的处理，不同的是，它是申请一个栈大小是原来的两倍，然后将原来的栈上的数据拷贝过来。这样就不会有hot split 问题。不过在GC 时，当栈分配空间大于实际使用大小，也会进行栈收缩。

我们知道，指向栈上的数据的指针一定是存在栈上，而不是在堆上，如果有堆上的指针指向栈空间，那么随着栈帧出栈，可能对导致堆上出现悬挂指针（一个指针指向了未定义的地方），这是不允许的。

由于go 的GC 需要知道指针在什么地方，所以我们可以借助GC 的信息，将栈上的指针移动到新的位置（新申请栈空间上对应的位置）以及所有相关的栈上指针都需要处理。

由于部分runtime 上的代码还是使用c 语言编写，所以没有指针相关的信息，所以他们是不可拷贝的，也就不能使用栈拷贝的方式，所以需要用回分段栈。 这也是为什么现在golang 团队在用golang重写runtime 模块。

参考

1. How Stacks are Handled in Go
2. Go: How Does the Goroutine Stack Size Evolve?