从 Linux 内核的角度谈线程栈和进程栈

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。

2.线程栈

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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if(clone_flags&CLONE_VM){

/*

*current 是父进程而 tsk 在 fork()执行期间是共享子进程

*/

atomic_inc(¤t->mm->mm_users);

tsk->mm=current->mm;

}

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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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->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。

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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intgetrlimit(intresource,struct rlimit*rlim);

intsetrlimit(intresource,conststruct 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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limit=getlimit(RLIMIT_STACK)

if(limit==RLIMIT_INFINITY)

thread.rlimit=ARCH_STACK_DEFAULT_SIZE//2M

elseifthread.rlimit< PTHREAD_STACK_MIN //16k

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_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。