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分类： LINUX
2020-05-16 17:39:21
Linux中的进程栈和线程栈
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段 (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。
从 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。
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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 的nptl/allocatestack.c 中的 allocate_stack() 函数中看到：
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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->sp（sp 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。
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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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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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_init，pthread_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。
