GoLang之栈内存管理

GoLang之栈内存管理

注：本文基于Windos系统上Go SDK v1.16进行讲解

1.前言

我们已经介绍过堆内存，知道堆内存被划分为一个一个的arena，分别进行管理。为了降低碎片化内存的影响，又进一步划分出多个span，每个span按某种规格划分成等大的内存块。

全局mspan管理中心分门别类管理着所有span。不过，要是都从这里获取内存块，竞争就太激烈了。所以每个P这里都会放一个本地mspan缓存，先紧着本地的用，不行再去全局管理中心这里竞争。

2.栈分配

2.1栈分配

其实，span除了用作堆内存分配外，也用于栈内存分配，只是用途不同的span对应的mspan状态不同。用做堆内存的mspan状态为mSpanInUse，而用做栈内存的状态为mSpanManual。
为提高栈内存分配效率，调度器初始化时会初始化两个用于栈分配的全局对象：stackpool 和stackLarge。

2.2stackpool

var stackpool [_NumStackOrders]struct {
    item stackpoolItem
    // 省略掉用于内存对齐的填充空间
}
//go:notinheap
type stackpoolItem struct {
    mu   mutex
    span mSpanList
}

stackpool面向32KB以下的栈分配，栈大小必须是2的幂，最小2KB，在Linux环境下，stackpool提供了2kB、4KB、8KB、16KB四种规格的mspan链表。

2.3stackLarge

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

大于等于32KB的栈，由stackLarge来分配，这也是个mspan链表的数组，长度为25。
mspan规格从8KB开始，之后每个链表的mspan规格，都是前一个的两倍。

8KB和16KB这两个链表，实际上会一直是空的， 留着它们是为了方便使用mspan包含页面数的（以2为底）对数作为数组下标。

初始化以后，这些链表都还是空的，接下来它们会作为全局栈缓存来使用。同堆内存分配一样，每个P也有用于栈分配的本地缓存(mcache.stackcache)，这相当于是stackpool的本地缓存，

type mcache struct {
  nextSample uintptr
  scanAlloc  uintptr
  tiny       uintptr
  tinyoffset uintptr
  tinyAllocs uintptr
  alloc      [numSpanClasses]*mspan
  stackcache [_NumStackOrders]stackfreelist
  flushGen   uint32
}

在Linux环境下，每个P本地缓存有四种规格的空闲内存块链表（2KB，4KB，8KB，16KB）。

3.小于32KB的栈分配

小于32KB的栈分配：
（1）对于小于32KB的栈空间，会优先使用当前P的本地缓存。
（2）如果本地缓存中，对应规格的内存块链表为空，就从stackpool这里分配16KB的内存放到本地缓存（stackcache）中，然后继续从本地缓存分配。
（3）若是stackpool中对应链表也为空，就从堆内存直接分配一个32KB的span划分成对应的内存块大小放到stackpool中。
不过有些情况下，是无法使用本地缓存的，在不能使用本地缓存的情况下，就直接从stackpool分配。

4.大于等于32KB的栈分配

大于等于32KB的栈分配：
如果要分配大于等于32KB的栈空间，就计算需要的page数目，并以2为底求对数（log2page），将得到的结果作为stackLarge数组的下标，找到对应的空闲mspan链表。若链表不为空，就拿一个过来用。
如果链表为空，就直接从堆内存分配一个拥有这么多个页面的span，并把它整个用于分配栈内存；
例如想要分配64KB的栈，68/8是8个page，log2page=log2(8)=3

这就是栈内存分配的大致过程

5.栈增长

栈内存初始分配发生在goroutine创建时，由于初始栈大小都是2KB，在实际业务中可能会不够用，所以需要实现一种在运行阶段动态增长栈的机制。
goroutine的栈增长，是通过编译器和runtime合作实现的，编译器会在函数的头部安插检测代码，检查当前剩余的栈空间是否够用。
闭包函数内部如果需要栈增长的话，会直接调用runtime.morestack()，而一般的函数会调用runtime.morestack_noctxt()，它会先显式的将DX寄存器清零，然后调用morestack()。
morestack()也是一个用汇编语言实现的函数，它会先进行一些检查工作，因为不能增长g0和gsignal的栈，然后它会把调用者的PC、SP等存入g.sched中，然后调用newstack()来增长栈。newstack函数执行流程如下图所示：

栈空间是成倍增长的，需要增长时，先把当前的栈空间大小乘以2，并把协程状态置为_Gcopystack。接下来调用copystack函数，分配新的栈空间，拷贝旧栈上的数据，释放旧栈空间，最后通过gogo(&g.sched)来恢复协程运行（_Grunning），这就是栈增长的大致逻辑。

6.栈收缩

其实栈不仅能增长，还可以收缩，只是不会缩到比2KB还小就是了。
唯一发起栈收缩的地方就是 GC。GC通过scanstack函数寻找标记root节点时，如果发现可以安全的收缩栈，就会执行栈收缩，不能马上执行时，就设置栈收缩标识（g.preemptShrink = true），等到协程检测到抢占标识（stackPreempt）。在让出CPU之前会检查这个栈收缩标识，为true的话就会先进行栈收缩，再让出CPU。

栈收缩可以减少运行中的协程对栈空间的浪费，但是结束运行的那些协程的栈空间，该怎么回收利用呢？
这得从协程运行结束时说起。

7.栈释放

7.1什么时候释放栈？

我们知道常规goroutine在运行结束时，会被放到调度器对象这里的空闲G队列中（sched.gFree）。这里的空闲协程分两种：
一种有协程栈（sched.gFree.stack）
一种没有协程栈（sched.gFree.noStack）
创建协程时，会先看看这里有没有空闲的协程可以用，优先使用有栈的协程
省得额外再分配。不过，常规goroutine运行结束时都有协程栈，应该进到哪个队列呢？

（1）如果协程栈没有增长过（还是2KB），就把这个协程放到有栈的空闲G队列中；
（2）如果协程栈增长过，就把协程栈释放掉，再把协程放入到没有栈的空闲G队列中。
而这些空闲协程的栈，也会在GC执行markroot时被释放掉，到时候这些协程也会加入到没有栈的空闲协程队列中。
所以，常规goroutine栈的释放，一是发生在协程运行结束时，gfput会把增长过的栈释放掉，栈没有增长过的g会被放入sched.gFree.stack中；二是GC会处理sched.gFree.stack链表，把这里面所有g的栈都释放掉，然后把它们放入sched.gFree.noStack链表中。

7.2这些栈释放到了哪里？

协程栈释放时是放回当前P的本地缓存？还是放回全局栈缓存？（stackpool/stackLarge）抑或是直接还给堆内存？
其实都有可能，要视情况而定~
同栈分配时一样，小于32KB和大于等于32KB的栈，在释放的时候也会区别对待。
（1）小于32KB的栈，释放时会先放回到本地缓存中。如果本地缓存对应链表中栈空间总和大于32KB了，就把一部分放回stackpool中，本地这个链表只保留16KB。
如果本地缓存不可用，也会直接放回stackpool中。
而且，如果发现这个mspan中所有内存块都被释放了，就会把它归还给堆内存。
（2）对于大于等于32KB的栈释放，如果当前处在GC清理阶段（gcphase == _GCoff），就直接释放到堆内存，否则就先把它放回stackLarge这里。
这就是栈释放的大致逻辑~

8.总结

这一次我们简单介绍了协程栈的管理，知道了协程栈也是从堆内存分配的，也有全局缓存和本地缓存，同时了解到栈不仅可以增长，还可以收缩，当然也需要释放继而回收利用，关于协程栈的管理就先到这里~