Go栈内存管理源码解读

基本介绍

栈内存一般是由Go编译器自动分配和释放，其中存储着函数的入参和局部变量，这些参数和变量随着函数调用而创建，当调用结束后也会随之被回收。通常开发者不需要关注内存是分配在堆上还是栈上，这部分由编译器在编译阶段通过逃逸分析来决定。但是了解其原理还是很重要的。一方面可以帮助我们有意识写出更高效的可执行代码，另一方面参考源码中的一些精妙设计也可以给自己一定的思路。

设计原理

寄存器

寄存器是CPU中的稀缺资源，他的存储能力非常有限，但是能提供最快的读写速度，充分利用寄存器的读写速度可以构建高性能的应用程序。寄存器在物理机上非常有限，然后Go的栈操作仍然用了两个以上寄存器，充分说明栈内存的重要性。

栈寄存器是CPU寄存器的一种，用于跟踪函数的调用栈。Go语言的汇编代码包括了BP和SP两个寄存器，他们分别存储了栈的基址指针和栈顶指针，BP和SP之间的部分就是函数的调用栈。

堆的内存增长是从小往大增长，而栈的增长方向是相反的，导致在做栈指令操作的时候将 SP 减小反而是将栈帧增大。这样做的好处就是便于堆和栈可动态共享那段内存区域。

当应用程序申请或者释放栈内存时只需要修改 SP 寄存器的值，这种线性的内存分配方式与堆内存相比更加快速，仅会带来极少的额外开销。

在函数执行过程中，CPU会通过栈寄存器来来访问和操作栈内存，当函数被调用时，CPU会将函数的入参和返回值地址压入栈中，并将SP指向新的栈顶。在函数内部，CPU可以通过BP来来访问栈中的参数和局部变量，当函数返回后，CPU会将栈顶元素弹出栈，将SP指针恢复到函数调用前的状态。
栈寄存器和栈内存密切相关，栈寄存器用于管理栈内存的指针，栈内存则用于存储函数调用时的参数和局部变量。

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

栈操作

栈初始化

// linux上_NumStackOrders=4，表示四种大小的栈，分别是2kb、4kb、8kb、16kb
var stackpool [_NumStackOrders]struct {
   item stackpoolItem
   // 内存对齐
   _    [cpu.CacheLinePadSize - unsafe.Sizeof(stackpoolItem{})%cpu.CacheLinePadSize]byte
}

func stackinit() {
   if _StackCacheSize&_PageMask != 0 {
      throw("cache size must be a multiple of page size")
   }
   for i := range stackpool {
      stackpool[i].item.span.init()
      lockInit(&stackpool[i].item.mu, lockRankStackpool)
   }
   for i := range stackLarge.free {
      stackLarge.free[i].init()
      lockInit(&stackLarge.lock, lockRankStackLarge)
   }
}

可以看到栈初始化过程中有两个关键变量，stackpool和stackLarge，其中stackpool是全局的栈缓存，用来分配小于32k的内存，stackLarge是大栈缓存，用来分配大于32k的内存（此处可见栈分配部分代码），这两部分的内存都是从全局的heap_中申请，所以也可以认为Go中的栈内存也是分配在堆上的。

如果仅仅用这两个全局变量来分配栈内存，那么可预见的是在程序运行期间申请和释放栈空间，必然需要频繁加锁，会影响程序执行效率，所以Go在mcache，线程缓存级别增加了一级栈缓存，在创建goroutine的时候会给自己分配一个栈空间，详见malg()，大部分情况下每个goroutine只需要在自己的栈空间申请内存即可，不需要再竞争锁。具体结构可见。mache中的栈缓存并非单独从mheap中申请，

stackinit函数在schedinit中调用

func schedinit() {
    ...
    stackinit()
    ...
}

运行时使用全局的 runtime.stackpool 和线程缓存中的空闲链表分配 32KB 以下的栈内存，使用全局的 runtime.stackLarge 和堆内存分配 32KB 以上的栈内存，提高本地分配栈内存的性能。

栈分配

运行会在创建goroutine的时候调用runtime.stackalloc来预先分配一个大小足够的内存空间。

// Allocate a new g, with a stack big enough for stacksize bytes.
// newproc()调用newproc1()，newproc1()调用malg()，在调用malg的时候会传入_StackMin = 2048，即最小栈2k
func malg(stacksize int32) *g {
   newg := new(g)
   if stacksize >= 0 {
      // 这里会在 stacksize 的基础上为每个栈预留系统调用所需的内存大小 
      // _StackSystem在 Linux/Darwin 上（ _StackSystem == 0 ）本行不改变 stacksize 的大小
      stacksize = round2(_StackSystem + stacksize)
      systemstack(func() {
         // 为新分配的G对象分配栈内存
         newg.stack = stackalloc(uint32(stacksize))
      })
      newg.stackguard0 = newg.stack.lo + _StackGuard
      newg.stackguard1 = ^uintptr(0)
      // Clear the bottom word of the stack. We record g
      // there on gsignal stack during VDSO on ARM and ARM64.
      *(*uintptr)(unsafe.Pointer(newg.stack.lo)) = 0
   }
   return newg
}

_StackGuard在linux上默认大小是928个字节，所以初始化分配的2kb栈内存，只有1120个字节可用，所以在实际使用中，如果栈的长度达到1120，那么就会触发栈扩容。

stackalloc会根据分配栈内存的大小，分别用不同的方案分配栈内存

1. 如果申请的栈内存<32k，会从全局栈缓存stackpool或线程缓存的栈上分配
2. 否则会直接从大栈stackLarge分配

func stackalloc(n uint32) stack {
    thisg := getg()
    ...
    // 在linux上_FixedStack=2048，_NumStackOrders=4，_StackCacheSize=32 * 1024
    // 如果申请的栈内存<32k，则通过stackpool或mcache上的缓存栈分配
    if n < _FixedStack<<_NumStackOrders && n < _StackCacheSize {
        order := uint8(0)
        n2 := n
        // 一直除到n<=2048，order记录除了几次
        // order=0表示2kb，order=1表示4kb，以此类推
        for n2 > _FixedStack {
           order++
           n2 >>= 1
        }
        
        // stackNoCache表示是否禁止线程缓存上的栈，常量，默认值是0
        // thisg.m.p = 0会在系统调用和改变P的个数的时候调用，满足条件就从stackpool上分配
        // preemptoff != "", 在 GC 的时候会进行设置,表示如果在 GC 那么从 stackpool 分配
        if stackNoCache != 0 || thisg.m.p == 0 || thisg.m.preemptoff != "" {
            lock(&stackpool[order].item.mu)
            // 从stackpool中分配对应大小的栈，如果stackpool空间不足，会从堆上申请
            x = stackpoolalloc(order)
            unlock(&stackpool[order].item.mu)
        } else {
            // 获取执行g的P上的mcache
            c := thisg.m.p.ptr().mcache
            // 在线程缓存上获取预分配大小的栈
            x = c.stackcache[order].list
            if x.ptr() == nil {
               // 从堆上申请新的内存填充到线程缓存中
               stackcacherefill(c, order)
               x = c.stackcache[order].list
            }
            // 移除空闲栈链表上的第一个节点，表示已分配
            c.stackcache[order].list = x.ptr().next
            // 更新分配栈后的空闲栈大小
            c.stackcache[order].size -= uintptr(n)
        }
    // 如果>=32k，则通过stackLarge分配
    } else {
        var s *mspan
        npage := uintptr(n) >> _PageShift
        log2npage := stacklog2(npage)
        
        // Try to get a stack from the large stack cache.
        lock(&stackLarge.lock)
        // 如果有空闲的栈内存，直接从stackLarge中分配
        if !stackLarge.free[log2npage].isEmpty() {
           s = stackLarge.free[log2npage].first
           stackLarge.free[log2npage].remove(s)
        }
        unlock(&stackLarge.lock)
        
        // 如果没有空闲的栈，则直接从堆上申请新的
        if s == nil {
           // Allocate a new stack from the heap.
           s = mheap_.allocManual(npage, spanAllocStack)
           if s == nil {
              throw("out of memory")
           }
           osStackAlloc(s)
           s.elemsize = uintptr(n)
        }
    }
}

需要注意的是，因为 OpenBSD 6.4+ 对栈内存有特殊的需求，所以只要我们从堆上申请栈内存，需要调用 runtime.osStackAlloc 做一些额外处理，然而其他的操作系统就没有这种限制了。
stackalloc中有两个重要的函数调用再展开看看

// 从stackpool中分配栈
func stackpoolalloc(order uint8) gclinkptr {
    // 获取对应大小的栈链表，并拿到第一个节点
    list := &stackpool[order].item.span
    s := list.first
    if s == nil {
        // 如果没有空闲的栈，则从堆中申请新的mspan
        s = mheap_.allocManual(_StackCacheSize>>_PageShift, spanAllocStack)
        ...
        osStackAlloc(s)
        s.elemsize = _FixedStack << order
        // 新申请的栈内存，写入manualFreeList，manualFreeList是一个单向链表
        for i := uintptr(0); i < _StackCacheSize; i += s.elemsize {
           x := gclinkptr(s.base() + i)
           x.ptr().next = s.manualFreeList
           s.manualFreeList = x
        }
        // 插入stackpool
        list.insert(s)
    }
    // 从mspan获取object（可见mspan的定义：mspan是一串连续page，然后按照size_class分割成固定大小的object），manualFreeList用来维护栈内存
    x := s.manualFreeList
    if x.ptr() == nil {
       throw("span has no free stacks")
    }
    // 从manualFreeList上删除第一个节点
    s.manualFreeList = x.ptr().next
    // mspan分配对象+1
    s.allocCount++
    // 如果分配完，mspan中栈对象已分配完，从stackpool中删除该mspan
    if s.manualFreeList.ptr() == nil {
       // all stacks in s are allocated.
       list.remove(s)
    }
    return x
}
// 填充mcache中的栈缓存
func stackcacherefill(c *mcache, order uint8) {
   if stackDebug >= 1 {
      print("stackcacherefill order=", order, "\n")
   }

   // Grab some stacks from the global cache.
   // Grab half of the allowed capacity (to prevent thrashing).
   var list gclinkptr
   var size uintptr
   lock(&stackpool[order].item.mu)
   // _StackCacheSize=32k，此处先从stackpool中获取一半即16k大小，组成单向链表，放到mcache中
   // 猜测这里的一半是和空间利用率有关，直接分配全部32k可能会造成浪费，如果当前栈内存使用率不足1/4，那么也会触发缩容，每次缩1/2
   for size < _StackCacheSize/2 {
      x := stackpoolalloc(order)
      x.ptr().next = list
      list = x
      // _FixedStack=2048
      size += _FixedStack << order
   }
   unlock(&stackpool[order].item.mu)
   // 放入mcache中
   c.stackcache[order].list = list
   c.stackcache[order].size = size
}

栈分配时的order和堆分配的sizeclass有异曲同工之妙，一方面可以减少不同goroutine获取不同大小栈的锁冲突，另一方面可以预先缓存对应大小的内存以便快速获取。在Go的内存分配中有很多类似的思路：通过预分配，分级等减少锁冲突，提高内存分配效率

栈扩容

编译器会在 cmd/internal/obj/x86.stacksplit 中为函数调用插入 runtime.morestack 运行时检查，它会在几乎所有的函数调用之前检查当前 Goroutine 的栈内存是否充足，如果当前栈需要扩容，我们会保存一些栈的相关信息并调用 runtime.newstack 创建新的栈：

func newstack() {
    thisg := getg()
    ... // 校验逻辑
    gp := thisg.m.curg
    ...
    morebuf := thisg.m.morebuf
    // 初始化寄存器相关变量
    thisg.m.morebuf.pc = 0
    thisg.m.morebuf.lr = 0
    thisg.m.morebuf.sp = 0
    thisg.m.morebuf.g = 0
    
    // 校验是否被抢占
    preempt := stackguard0 == stackPreempt
    if preempt {
       // 校验M是否可以被安全抢占，如果不可以安全抢占，那么就不执行抢占，让当前goroutine继续执行，等下次再抢占
       // canPreemptM：return mp.locks == 0 && mp.mallocing == 0 && mp.preemptoff == "" && mp.p.ptr().status == _Prunning
       // 如果M上没有锁，或没有在进行内存分配，或没有禁止抢占，或P的状态是Running，认为可以安全抢占
       if !canPreemptM(thisg.m) {
          // Let the goroutine keep running for now.
          // gp->preempt is set, so it will be preempted next time.
          gp.stackguard0 = gp.stack.lo + _StackGuard
          // 触发调度器调度
          gogo(&gp.sched) // never return
       }
    }
    
    // 如果被抢占，且可以安全抢占，说明当前goroutine不需要执行，也不需要栈扩容
    if preempt {
        // 需要收缩栈
        if gp.preemptShrink {
           // We're at a synchronous safe point now, so
           // do the pending stack shrink.
           gp.preemptShrink = false
           shrinkstack(gp)
        }
        
        // 被runtime.suspendG挂起后，被动让出当前处理器的控制权
        if gp.preemptStop {
           preemptPark(gp) // never returns
        }
        
        // 主动让出当前处理器的控制权
        gopreempt_m(gp) // never return
    }
    
    // 到此处，如果当前goroutine不需要被抢占，那么就说明需要新的栈内存来执行代码和初始化变量，此时继续往下执行进行扩容
    oldsize := gp.stack.hi - gp.stack.lo
    // 新栈空间按照原来的2倍扩容
    newsize := oldsize * 2
    // 如果仍然不够用，则继续按照2倍扩容
    if f := findfunc(gp.sched.pc); f.valid() {
       max := uintptr(funcMaxSPDelta(f))
       needed := max + _StackGuard
       used := gp.stack.hi - gp.sched.sp
       for newsize-used < needed {
          newsize *= 2
       }
    }
    ...
    // 栈溢出检测
    // maxstacksize 64位是1G，maxstackceiling=2*maxstacksize
    // maxstackceiling 用来兜底，防止用户调用runtime.setMaxStack()把maxstacksize设置得过大
    if newsize > maxstacksize || newsize > maxstackceiling {
       ...
    }
    
    // 状态置为_Gcopystack
    casgstatus(gp, _Grunning, _Gcopystack)

    // The concurrent GC will not scan the stack while we are doing the copy since
    // the gp is in a Gcopystack status.
    // 扩容并拷贝
    copystack(gp, newsize)
    if stackDebug >= 1 {
       print("stack grow done\n")
    }
    // 状态置为_Grunning
    casgstatus(gp, _Gcopystack, _Grunning)
    // 触发调度器调度
    gogo(&gp.sched)
}

newstack主要流程：

1. 校验是否可以被安全抢占，如果可以被安全抢占，就直接调用runtime.gogo触发调度器的调度
2. 如果GC的时候被runtime.scanstack 标记了需要收缩栈，则调用shrinkstack()缩容，并把preemptShrink状态标记为false，等待下次GC扫描
3. 如果GC的时候当前goroutine被runtime.suspendG挂起，则被动让出当前处理器的控制权，并把状态置为_Gpreempted，之后会在下一次调用runtime.suspendG的时候把状态改回到_GWaiting，
4. 调用gopreempt_m，主动让出当前处理器的控制权
   如果当前gorouine不需要被抢占，那么就说明需要扩容新的栈空间，来执行函数代码和变量初始化

接下来再看copystack，调用该函数之前需要先把g的状态置为Gcopystack

func copystack(gp *g, newsize uintptr) {
    old := gp.stack
    ...
    // 旧栈高位指针-G对象栈顶指针，计算当前已使用栈内存大小（参考上面寄存器和栈帧布局理解）
    used := old.hi - gp.sched.sp
    // 分配新的栈空间
    new := stackalloc(uint32(newsize))
    
    // 借助adjustinfo来调整栈空间
    var adjinfo adjustinfo
    // 存放旧栈
    adjinfo.old = old
    // 新旧栈的调整距离，用该值控制指针移动距离
    adjinfo.delta = new.hi - old.hi
    // sudog represents a g in a wait list, such as for sending/receiving on a channel.
    ncopy := used
    if !gp.activeStackChans {
        adjustsudogs(gp, &adjinfo)
    } else {
       // 到这里代表有被阻塞的 G 在当前 G 的channel 中，所以要防止并发操作，需要获取 channel 的锁
       
       // 在所有 sudog 中找到地址最大的指针
       adjinfo.sghi = findsghi(gp, old)
    
       // 对所有 sudog 关联的 channel 上锁，然后调整指针，并且复制 sudog 指向的部分旧栈的数据到新的栈上
       ncopy -= syncadjustsudogs(gp, used, &adjinfo)
    }
    // 将旧栈中的数据整片拷贝到新栈中
    memmove(unsafe.Pointer(new.hi-ncopy), unsafe.Pointer(old.hi-ncopy), ncopy)
    
    // 调整ctxt，defer和panic的指针
    // 调用 runtime.adjustpointer，该函数会利用 runtime.adjustinfo 计算的新栈和旧栈之间的内存地址差来调整指针
    adjustctxt(gp, &adjinfo)
    adjustdefers(gp, &adjinfo)
    adjustpanics(gp, &adjinfo)
    
    // 把G上的栈替换为新栈
    gp.stack = new
    gp.stackguard0 = new.lo + _StackGuard // NOTE: might clobber a preempt request
    gp.sched.sp = new.hi - used
    gp.stktopsp += adjinfo.delta
    
    // 调整新栈上的指针
    gentraceback(^uintptr(0), ^uintptr(0), 0, gp, 0, nil, 0x7fffffff, adjustframe, noescape(unsafe.Pointer(&adjinfo)), 0)
    
    // 释放旧栈空间
    stackfree(old)
}

总结一下栈扩容的步骤：

1. 前置校验，如果当前goroutine可以被抢占，那么就停止栈扩容
2. 按照最小两倍来重新计算需要的栈内存
3. 暂停当前goroutine的执行
4. 新建一个栈空间并迁移数据：复制旧栈数据到新栈，更改指向旧栈空间的指针指向新栈空间
5. 触发系统调度，恢复当前goroutine的执行

栈缩容

栈的缩容发生在GC扫描阶段，在scanstack函数内触发缩容

func scanstack(gp *g, gcw *gcWork) int64 {
    // 当我们拥有所有栈帧的精确指针映射时，认为是此时收缩栈是安全的
    if isShrinkStackSafe(gp) {
        // 直接缩容
        shrinkstack(gp)
    } else {
        // 在newobject中执行缩容
        gp.preemptShrink = true
    }
}

接下来看具体是怎么缩容的

func shrinkstack(gp *g) {
    ... // 校验逻辑
    
    oldsize := gp.stack.hi - gp.stack.lo
    // 缩容到原来的一半
    newsize := oldsize / 2
    // 如果缩容的大小小于栈的最小值（2KB），就停止
    if newsize < _FixedStack {
       return
    }
    
    avail := gp.stack.hi - gp.stack.lo
    // 如果已使用内存超过可用空间的1/4，也停止缩容
    if used := gp.stack.hi - gp.sched.sp + _StackLimit; used >= avail/4 {
       return
    }
    
    // 调用copystack开辟新的栈，并复制数据
    copystack(gp, newsize)
}

逃逸分析

代码中如果某个对象被分配到堆上，那么就称该对象发生了内存逃逸
在编译器优化中，逃逸分析是用来决定指针动态作用域的方法。Go 语言的编译器使用逃逸分析决定哪些变量应该在栈上分配，哪些变量应该在堆上分配，其中包括使用 new、make 和字面量等方法隐式分配的内存，Go 语言的逃逸分析遵循以下两个不变性（/src/cmd/compile/internal/gc/escape.go）：

1. 指向栈对象的指针不能存在于堆中（pointers to stack objects cannot be stored in the heap）；
2. 指向栈对象的指针不能在栈对象回收后存活（pointers to a stack object cannot outlive that object）；
   

• 如果违反第一条原则，函数调用结束后，函数内分配的局部变量会被回收，那么绿色指针指向的指将不合法
• 如果违反第二条原则，函数调用结束后，粉色部分内存被回收，如果指向栈对象的指针仍然存活，那么黄色指针指向的值也将不合法

内存逃逸的影响

如果频繁发生内存逃逸，本可以分配在栈上的变量分配在了堆上，就会存在下面问题：

• 内存占用增加，由于Go的内存分配策略，堆扩容后并不会马上把内存归还给系统，所以会导致Go程序持有的内存不断增长，对于长时间不更新的系统来说，内存必然会持续增长，进而触发资源报警
• GC压力增加，分配到堆上的对象不会随着函数调用结束而释放，而会等待GC标记、扫描等步骤后才回收，会导致垃圾回收器频繁操作，影响服务稳定性
• 性能下降，堆内存分配比栈内存分配需要更多的CPU和内存资源，会导致程序性能变差

内存逃逸的原因及优化思路

以下是一些内存逃逸的case：

• 变量的生命周期超出了其作用域，当一个变量在函数外部被引用，比如被赋值给一个包级别的变量或者作为返回值，这个变量就会发生逃逸。
  • 要严格限制作用域，仅在函数内部使用的变量，不要返回给外部
  • 使用值而不是指针，传值会拷贝整个对象，传指针只需要拷贝指针地址，但会增加GC压力，因此需要平衡考虑，对于小对象，推荐使用值传递（参考benchmark，28B是分界线，供参考）
• 大对象的分配，对于大型的数据结构，Go 有时会选择在堆上分配内存，即使它们没有在函数外部被引用。
  • 对于频繁创建和销毁的对象，可以池化，减少在堆上分配和GC的次数
• 闭包引用，如果一个函数返回一个闭包，并且该闭包引用了函数的局部变量，那么这些变量也会逃逸到堆上。
  • 应当尽量避免在大循环或频繁调用的函数中使用闭包
• 接口动态分配，当一个具体类型的变量被赋值给接口类型时，由于接口的动态特性，具体的值可能会发生逃逸。
  • 对于频繁创建的对象，应当尽量使用确定的类型
• 切片和 map 操作，如果对切片进行操作可能导致其重新分配内存，或者向 map 中插入数据，这些操作可能导致逃逸。
  • 对于切片，如果是确定的长度，推荐使用数组
  • 如果可以确定大小，在对象初始化的时候就分配好容量，避免在运行期间频繁扩容

参考

https://www.luozhiyun.com/archives/513
https://draveness.me/golang/docs/part3-runtime/ch07-memory/golang-stack-management/
https://zhuanlan.zhihu.com/p/386769009?utm_id=0
https://zhuanlan.zhihu.com/p/672733054