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分类: LINUX

2020-05-16 17:39:21

Linux中的进程栈和线程栈

——lvyilong316


1. 进程栈

进程栈是属于用户态栈,和进程虚拟地址空间 (Virtual Address Space) 密切相关。那我们先了解下什么是虚拟地址空间:在 32 位机器下,虚拟地址空间大小为 4G。这些虚拟地址通过页表 (Page Table) 映射到物理内存,页表由操作系统维护,并被处理器的内存管理单元 (MMU) 硬件引用。每个进程都拥有一套属于它自己的页表,因此对于每个进程而言都好像独享了整个虚拟地址空间。

Linux 内核将这 4G 字节的空间分为两部分,将最高的 1G 字节(0xC0000000-0xFFFFFFFF)供内核使用,称为 内核空间。而将较低的3G字节(0x00000000-0xBFFFFFFF)供各个进程使用,称为 用户空间。每个进程可以通过系统调用陷入内核态,因此内核空间是由所有进程共享的。虽然说内核和用户态进程占用了这么大地址空间,但是并不意味它们使用了这么多物理内存,仅表示它可以支配这么大的地址空间。它们是根据需要,将物理内存映射到虚拟地址空间中使用。

Linux 对进程地址空间有个标准布局,地址空间中由各个不同的内存段组成 (Memory Segment),主要的内存段如下:
- 程序段 (Text Segment):可执行文件代码的内存映射
- 数据段 (Data Segment):可执行文件的已初始化全局变量的内存映射
- BSS(BSS Segment):未初始化的全局变量或者静态变量(用零页初始化)
- 堆区 (Heap) : 存储动态内存分配,匿名的内存映射
- 栈区 (Stack) : 进程用户空间栈,由编译器自动分配释放,存放函数的参数值、局部变量的值等
- 映射段(Memory Mapping Segment):任何内存映射文件

而上面进程虚拟地址空间中的栈区,正指的是我们所说的进程栈。进程栈的初始化大小是由编译器和链接器计算出来的,但是栈的实时大小并不是固定的,Linux 内核会根据入栈情况对栈区进行动态增长(其实也就是添加新的页表)。但是并不是说栈区可以无限增长,它也有最大限制 RLIMIT_STACK (一般为 8M),我们可以通过 ulimit 来查看或更改 RLIMIT_STACK 的值。

【扩展阅读】:进程栈的动态增长实现

进程在运行的过程中,通过不断向栈区压入数据,当超出栈区容量时,就会耗尽栈所对应的内存区域,这将触发一个 缺页异常 (page fault)。通过异常陷入内核态后,异常会被内核的 expand_stack() 函数处理,进而调用 acct_stack_growth() 来检查是否还有合适的地方用于栈的增长。

如果栈的大小低于 RLIMIT_STACK(通常为8MB),那么一般情况下栈会被加长,程序继续执行,感觉不到发生了什么事情,这是一种将栈扩展到所需大小的常规机制。然而,如果达到了最大栈空间的大小,就会发生 栈溢出(stack overflow),进程将会收到内核发出的 段错误(segmentation fault) 信号。

动态栈增长是唯一一种访问未映射内存区域而被允许的情形,其他任何对未映射内存区域的访问都会触发页错误,从而导致段错误。一些被映射的区域是只读的,因此企图写这些区域也会导致段错误。

2. 线程栈

Linux 内核的角度来说,其实它并没有线程的概念。Linux 把所有线程都当做进程来实现,它将线程和进程不加区分的统一到了 task_struct 中。线程仅仅被视为一个与其他进程共享某些资源的进程,而是否共享地址空间几乎是进程和 Linux 中所谓线程的唯一区别。线程创建的时候,加上了 CLONE_VM 标记,这样 线程的内存描述符 将直接指向 父进程的内存描述符

点击(此处)折叠或打开

  1. if (clone_flags & CLONE_VM) {
  2.     /*
  3.      * current 是父进程而 tsk 在 fork() 执行期间是共享子进程
  4.      */
  5.     atomic_inc(&current->mm->mm_users);
  6.     tsk->mm = current->mm;
  7.   }

虽然线程的地址空间和进程一样,但是对待其地址空间的 stack 还是有些区别的。对于 Linux 进程或者说主线程,其 stack 是在 fork 的时候生成的,实际上就是复制了父亲的 stack 空间地址,然后写时拷贝 (cow) 以及动态增长。然而对于主线程生成的子线程而言,其 stack 将不再是这样的了,而是事先固定下来的,使用 mmap 系统调用(实际上是进程的堆的一部分),它不带有 VM_STACK_FLAGS 标记。这个可以从 glibc nptl/allocatestack.c 中的 allocate_stack() 函数中看到:

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  1. mem = mmap (NULL, size, prot, MAP_PRIVATE | MAP_ANONYMOUS | MAP_STACK, -1, 0);

由于线程的 mm->start_stack 栈地址和所属进程相同,所以线程栈的起始地址并没有存放在 task_struct 中,应该是使用 pthread_attr_t 中的 stackaddr 来初始化 task_struct->thread->spsp 指向 struct pt_regs 对象,该结构体用于保存用户进程或者线程的寄存器现场)。这些都不重要,重要的是,线程栈不能动态增长,一旦用尽就没了,这是和生成进程的 fork 不同的地方。由于线程栈是从进程的地址空间中 map 出来的一块内存区域,原则上是线程私有的。但是同一个进程的所有线程生成的时候浅拷贝生成者的 task_struct 的很多字段,其中包括所有的 vma,如果愿意,其它线程也还是可以访问到的,于是一定要注意。

3. 进程栈和线程栈大小的调整

进程和线程的栈分别是多大呢?首先从我们熟悉的ulimit -s说起,熟悉linux的人都应该知道通过ulimit -s可以修改栈的大小,除此之外还有getrlimit/setrlimit两个函数:

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  1. int getrlimit(int resource, struct rlimit *rlim);
  2. int setrlimit(int resource, const struct rlimit *rlim);

这两个函数当第一个参数传入RLIMIT_STACK时,可以设置和获取栈的大小,其作用和ulimit -s是一样的,只是单位不同,ulimit -s的单位是kB,而这两个函数的单位是B(字节),详细使用方法请参考man手册。

最后还有线程的pthread_attr_setstacksize/pthread_attr_getstacksize

使用setrlimit和使用ulimit -s设置栈大小效果相同,这两种方式都是针对进程栈大小设置,只不过前者只真对当前进程,后者针对当前shell

而线程栈大小的关系就相对比较复杂点,前文说过线程大小是静态的,是在创建时就确定了的,当然如果使用pthread_attr_setstacksize可以在创建线程时指定线程栈大小,但如果不指定线程栈的话其默认大小是什么情况呢?想要了解线程栈的大小就要看glibc的线程创建函数,具体就是pthread_create->__pthread_create_2_1->allocate_stack。具体代码还是比较复杂的,这里简化为一个伪代码:

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  1. limit = getlimit(RLIMIT_STACK)
  2. if (limit == RLIMIT_INFINITY)
  3.     thread.rlimit = ARCH_STACK_DEFAULT_SIZE //2M
  4. else if thread.rlimit < PTHREAD_STACK_MIN //16k
  5.     thread.rlimit = PTHREAD_STACK_MIN

可以看出,线程默认栈大小和进程栈大小的关系:

1) 如果ulimit(setrlimit)设置大小大于16k,则线程栈默认大小由ulimit(setrlimit)决定;

2) 如果ulimit(setrlimit)设置大小小于16k,则线程栈默认大小为16

3) 如果ulimit(setrlimit)设置大小为无限制,则线程栈默认大小为2M

所以我们如果使用ulimit设置进程栈大小是无限大其实栈大小反而相对比较小,这是为什么呢?前面我们已经讲过线程栈和进程栈的位置不同,线程栈其实是在进程的堆上分配的,并且不会动态增加,所以不可能设置一个无限大小的线程栈。

最后,我们再对进程栈和线程栈做一下总结和说明:

(1) ulimit -s决定进程栈的大小,但不是严格相等(实际测试稍大于ulimit -s设置

(2) 创建线程时如果通过pthread_attr_setstacksize设置了线程栈大小,则使用该属性创建的线程栈大小就为其设置的值,但不影响线程默认属性的栈大小值,也不影响ulimit -s的值。

(3) 线程一旦创建就无法在修改其栈大小了,即使使用setrlimit

(4) pthread_attr_setstacksize/pthread_attr_getstacksize的作用是获取和设置线程属性中的栈大小的,而不获取设置线程栈大小的。可以再创建前设置好线程属性,这样使用该属性创建线程就能影响线程的栈大小了。但通过pthread_attr_initpthread_attr_getstacksize是无法获取当前线程栈大小的,只能获取默认属性的线程栈大小,其值未必就是当前线程栈大小。

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