前往小程序,Get更优阅读体验!
立即前往
首页
学习
活动
专区
工具
TVP
发布
社区首页 >专栏 >聊一聊goroutine stack

聊一聊goroutine stack

作者头像
李海彬
发布2018-03-27 13:12:59
1.9K0
发布2018-03-27 13:12:59
举报
文章被收录于专栏:Golang语言社区
推送在外卖订餐中扮演着重要的角色,为商家实时接单、骑手实时派单提供基础的数据通道。早期推送是由第三方服务商提供的, 随着业务复杂度的提升、订单量和用户数的持续增长,之前的系统已经远远不能满足需求,构建一个高性能、高可用的推送系统势在必行。 今年上半年我们用go开发了一个hybrid push服务,用户在线则借助长连接下发消息,不在线则借助厂商或第三方通道下发消息。 在构建过程中遇到了些与 goroutine stack 相关的问题,这里就和大家扯一扯。

带着问题阅读,才能让阅读更加高效,首先让我们看下问题:

  • goroutine stack多大呢?是固定的还是动态变化的呢?
  • stack动态变化的话,什么时候扩容和缩容呢?如何实现的呢?
  • 对服务有什么影响吗?如何排查栈扩容缩容带来的问题呢?

问题明确了,我们就开始往下扯呗。

栈大小

在了解协程栈之前,我们先看下传统的Linux进程内存布局:

user stack的大小是固定的,Linux中默认为8192KB,运行时内存占用超过上限,程序会崩溃掉并报告segment错误。 为了修复这个问题,我们可以调大内核参数中的stack size, 或者在创建线程时显式地传入所需要大小的内存块。 这两种方案都有自己的优缺点, 前者比较简单但会影响到系统内所有的thread,后者需要开发者精确计算每个thread的大小, 负担比较高。

有没有办法既不影响所有thread又不会给开发者增加太多的负担呢? 答案当然是有的,比如: 我们可以在函数调用处插桩, 每次调用的时候检查当前栈的空间是否能够满足新函数的执行,满足的话直接执行,否则创建新的栈空间并将老的栈拷贝到新的栈然后再执行。 这个想法听起来很fancy & simple, 但当前的Linux thread模型却不能满足,实现的话只能够在用户空间实现,并且有不小的难度。

go作为一门21世纪的现代语言,定位于简单高效,充分利用多核优势,解放工程师,自然不能够少了这个特性。它使用内置的运行时runtime优雅地解决了这个问题, 每个routine(g0除外)在初始化时stack大小都为2KB, 运行过程中会根据不同的场景做动态的调整。

栈扩容和缩容

在介绍具体的栈处理细节之前,我们先了解下协程栈的内存布局和一些重要的术语:

  • stack.lo: 栈空间的低地址
  • stack.hi: 栈空间的高地址
  • stackguard0: stack.lo + StackGuard, 用于stack overlow的检测
  • StackGuard: 保护区大小,常量Linux上为880字节
  • StackSmall: 常量大小为128字节,用于小函数调用的优化

在判断栈空间是否需要扩容的时候,可以根据被调用函数栈帧的大小, 分为以下两种情况:

  • 小于StackSmall SP小于stackguard0, 执行栈扩容,否则直接执行。
  • 大于StackSamll SP - Function’s Stack Frame Size + StackSmall 小于stackguard0, 执行栈扩容,否则直接执行。

runtime中还有个StackBig的常量,默认为4096,被调用函数栈帧大小大于StackBig的时候, 一定会发生栈的扩容,这里就不再展开了。

下面通过一个简单的函数调用,来观察下栈的处理:

代码语言:javascript
复制
package main

func main() {

        a, b := 1, 2

    _ = add1(a, b)

        _ = add2(a, b)

}

func add1(x, y int) int {

    return x + y

}

func add2(x, y int) int {

        _ = make([]byte, 200)

        return x + y

}



复制代码
禁用优化和内敛进行编译 go tool compile -N -l -S stack.go > stack.s , 部分汇编代码如下:
"".main t=1 size=112 args=0x0 locals=0x30

        // 栈大小为48,无参数

        0x0000 00000 (stack.go:3)        TEXT        "".main(SB), $48-0

        // 通过thread local storage获取当前g(g为goroutine的的数据结构)

        0x0000 00000 (stack.go:3)        MOVQ        (TLS), CX

        // 比较SP和g.stackguard0

        0x0009 00009 (stack.go:3)        CMPQ        SP, 16(CX)

        // 小于g.stackguard0,jump到105执行栈的扩容

        0x000d 00013 (stack.go:3)        JLS        105

        // 继续执行

        0x000f 00015 (stack.go:3)        SUBQ        $48, SP

        0x0013 00019 (stack.go:3)        MOVQ        BP, 40(SP)

        0x0018 00024 (stack.go:3)        LEAQ        40(SP), BP

        // 用于垃圾回收

        0x001d 00029 (stack.go:3)        FUNCDATA        $0, gclocals·33cdeccccebe80329f1fdbee7f5874cb(SB)

        0x001d 00029 (stack.go:3)        FUNCDATA        $1, gclocals·33cdeccccebe80329f1fdbee7f5874cb(SB)

        0x001d 00029 (stack.go:4)        MOVQ        $1, "".a+32(SP)

        0x0026 00038 (stack.go:4)        MOVQ        $2, "".b+24(SP)

        // 将a放入AX寄存器

        0x002f 00047 (stack.go:5)        MOVQ        "".a+32(SP), AX

        // 参数a压栈

        0x0034 00052 (stack.go:5)        MOVQ        AX, (SP)

        // 将b放入AX寄存器

        0x0038 00056 (stack.go:5)        MOVQ        "".b+24(SP), AX

        // 参数b压栈

        0x003d 00061 (stack.go:5)        MOVQ        AX, 8(SP)

        0x0042 00066 (stack.go:5)        PCDATA        $0, $0

        // 调用add1

        0x0042 00066 (stack.go:5)        CALL        "".add1(SB)

        // 将a放入AX寄存器

        0x0047 00071 (stack.go:6)        MOVQ        "".a+32(SP), AX

        // 参数a压栈

        0x004c 00076 (stack.go:6)        MOVQ        AX, (SP)

        // 将b放入AX寄存器

        0x0050 00080 (stack.go:6)        MOVQ        "".b+24(SP), AX

        // 参数b压栈

        0x0055 00085 (stack.go:6)        MOVQ        AX, 8(SP)

        0x005a 00090 (stack.go:6)        PCDATA        $0, $0

        // 调用add2

        0x005a 00090 (stack.go:6)        CALL        "".add2(SB)

        0x005f 00095 (stack.go:7)        MOVQ        40(SP), BP

        0x0064 00100 (stack.go:7)        ADDQ        $48, SP

        0x0068 00104 (stack.go:7)        RET

        0x0069 00105 (stack.go:7)        NOP

        0x0069 00105 (stack.go:3)        PCDATA        $0, $-1

        // 调用runtime.morestack_noctxt执行栈扩容

        0x0069 00105 (stack.go:3)        CALL        runtime.morestack_noctxt(SB)

        // 返回到函数开始处继续执行

        0x006e 00110 (stack.go:3)        JMP        0

    ...

"".add1 t=1 size=28 args=0x18 locals=0x0

        // 栈大小为0,参数为24字节, 栈帧小于StackSmall不进行栈空间判断直接执行

        0x0000 00000 (stack.go:9)        TEXT        "".add1(SB), $0-24

        0x0000 00000 (stack.go:9)        FUNCDATA        $0, gclocals·54241e171da8af6ae173d69da0236748(SB)

        0x0000 00000 (stack.go:9)        FUNCDATA        $1, gclocals·33cdeccccebe80329f1fdbee7f5874cb(SB)

        0x0000 00000 (stack.go:9)        MOVQ        $0, "".~r2+24(FP)

        0x0009 00009 (stack.go:10)        MOVQ        "".x+8(FP), AX

        0x000e 00014 (stack.go:10)        MOVQ        "".y+16(FP), CX

        0x0013 00019 (stack.go:10)        ADDQ        CX, AX

        0x0016 00022 (stack.go:10)        MOVQ        AX, "".~r2+24(FP)

        0x001b 00027 (stack.go:10)        RET

"".add2 t=1 size=151 args=0x18 locals=0xd0

        // 栈大小为208字节,参数为24字节

        0x0000 00000 (stack.go:13)        TEXT        "".add2(SB), $208-24

        // 获取当前g

        0x0000 00000 (stack.go:13)        MOVQ        (TLS), CX

        // 栈大小大于StackSmall, 计算 SP - FramSzie + StackSmall 并放入AX寄存器

        0x0009 00009 (stack.go:13)        LEAQ        -80(SP), AX

        // 比较上面计算出来的值和g.stackguard0

        0x000e 00014 (stack.go:13)        CMPQ        AX, 16(CX)

        // 小于g.stackguard0, jump到141执行栈的扩容

        0x0012 00018 (stack.go:13)        JLS        141

        // 继续执行

        0x0014 00020 (stack.go:13)        SUBQ        $208, SP

        0x001b 00027 (stack.go:13)        MOVQ        BP, 200(SP)

        0x0023 00035 (stack.go:13)        LEAQ        200(SP), BP

        0x002b 00043 (stack.go:13)        FUNCDATA        $0, gclocals·54241e171da8af6ae173d69da0236748(SB)

        0x002b 00043 (stack.go:13)        FUNCDATA        $1, gclocals·33cdeccccebe80329f1fdbee7f5874cb(SB)

        0x002b 00043 (stack.go:13)        MOVQ        $0, "".~r2+232(FP)

        0x0037 00055 (stack.go:14)        MOVQ        $0, ""..autotmp_0(SP)

        0x003f 00063 (stack.go:14)        LEAQ        ""..autotmp_0+8(SP), DI

        0x0044 00068 (stack.go:14)        XORPS        X0, X0

        0x0047 00071 (stack.go:14)        DUFFZERO        $247

        0x005a 00090 (stack.go:14)        LEAQ        ""..autotmp_0(SP), AX

        0x005e 00094 (stack.go:14)        TESTB        AL, (AX)

        0x0060 00096 (stack.go:14)        JMP        98

        0x0062 00098 (stack.go:15)        MOVQ        "".x+216(FP), AX

        0x006a 00106 (stack.go:15)        MOVQ        "".y+224(FP), CX

        0x0072 00114 (stack.go:15)        ADDQ        CX, AX

        0x0075 00117 (stack.go:15)        MOVQ        AX, "".~r2+232(FP)

        0x007d 00125 (stack.go:15)        MOVQ        200(SP), BP

        0x0085 00133 (stack.go:15)        ADDQ        $208, SP

        0x008c 00140 (stack.go:15)        RET

        0x008d 00141 (stack.go:15)        NOP

        0x008d 00141 (stack.go:13)        PCDATA        $0, $-1

        // 调用runtime.morestack_noctxt完成栈扩容

        0x008d 00141 (stack.go:13)        CALL        runtime.morestack_noctxt(SB)

        // jump到函数开始的地方继续执行

        0x0092 00146 (stack.go:13)        JMP        0

    ...

通过上面的汇编码,可以看到当被调用函数栈帧小于StackSmall的时候没有执行栈空间大小判断而是直接执行,在一定程度上优化了小函数的调用。 大于StackSmall的,会执行栈空间大小判断,栈空间不足的时候,通过调用runtime.morestack_noctxt来完成栈的扩容,然后再重新开始执行函数。

go在1.3之前栈扩容采用的是分段栈(Segemented Stack),在栈空间不够的时候新申请一个栈空间用于被调用函数的执行, 执行后销毁新申请的栈空间并回到老的栈空间继续执行,当函数出现频繁调用(递归)时可能会引发hot split。为了避免hot split, 1.3之后采用的是连续栈(Contiguous Stack),栈空间不足的时候申请一个2倍于当前大小的新栈,并把所有数据拷贝到新栈, 接下来的所有调用执行都发生在新栈上。

栈扩容和拷贝不是件容易的事情,涉及到很多内容和细节,这里只介绍下基本过程和算法意图,不会深入到所有细节。

runtime.morestack_noctxt是用汇编实现的,以下是amd64架构的部分代码(runtime/asm_amd64.s):

代码语言:javascript
复制
// Called during function prolog when more stack is needed.

//

// The traceback routines see morestack on a g0 as being

// the top of a stack (for example, morestack calling newstack

// calling the scheduler calling newm calling gc), so we must

// record an argument size. For that purpose, it has no arguments.

TEXT runtime·morestack(SB),NOSPLIT,$0-0

        // Cannot grow scheduler stack (m->g0).

        get_tls(CX)

        MOVQ        g(CX), BX

        MOVQ        g_m(BX), BX

        MOVQ        m_g0(BX), SI

        CMPQ        g(CX), SI

        JNE        3(PC)

        CALL        runtime·badmorestackg0(SB)

        INT        $3

        // 省略signal stack、morebuf和sched的处理

        ...

        // Call newstack on m->g0's stack.

        MOVQ        m_g0(BX), BX

        MOVQ        BX, g(CX)

        MOVQ        (g_sched+gobuf_sp)(BX), SP

        PUSHQ        DX        // ctxt argument

        // 调用runtime.newstack完成栈扩容

        CALL        runtime·newstack(SB)

        MOVQ        $0, 0x1003        // crash if newstack returns

        POPQ        DX        // keep balance check happy

        RET

// morestack but not preserving ctxt.

TEXT runtime·morestack_noctxt(SB),NOSPLIT,$0

        MOVL        $0, DX

        // 调用morestack

        JMP        runtime·morestack(SB)

newstack是用go实现的,可读性很高也很有意思,大家有空可读读,基本过程就是分配一个2x大小的新栈, 把数据拷贝到新栈,并用新栈替换到旧栈, 下面是部分代码(runtime/stack.go):

代码语言:javascript
复制
// Called from runtime·morestack when more stack is needed.

// Allocate larger stack and relocate to new stack.

// Stack growth is multiplicative, for constant amortized cost.

//

// g->atomicstatus will be Grunning or Gscanrunning upon entry.

// If the GC is trying to stop this g then it will set preemptscan to true.

//

// ctxt is the value of the context register on morestack. newstack

// will write it to g.sched.ctxt.

func newstack(ctxt unsafe.Pointer) {

        thisg := getg()

        gp := thisg.m.curg

        // 扩容至现在的2倍

        oldsize := int(gp.stackAlloc)

        newsize := oldsize * 2

        // The goroutine must be executing in order to call newstack,

        // so it must be Grunning (or Gscanrunning).

        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.

        // 拷贝栈数据后切换到新栈

        copystack(gp, uintptr(newsize), true)

        if stackDebug >= 1 {

                print("stack grow done\n")

        }

        // 恢复执行

        casgstatus(gp, _Gcopystack, _Grunning)

        gogo(&gp.sched)

}

// Copies gp's stack to a new stack of a different size.

// Caller must have changed gp status to Gcopystack.

//

// If sync is true, this is a self-triggered stack growth and, in

// particular, no other G may be writing to gp's stack (e.g., via a

// channel operation). If sync is false, copystack protects against

// concurrent channel operations.

func copystack(gp \*g, newsize uintptr, sync bool) {

        if gp.syscallsp != 0 {

                throw("stack growth not allowed in system call")

        }

        old := gp.stack

        if old.lo == 0 {

                throw("nil stackbase")

        }

        used := old.hi - gp.sched.sp

        // 将数据拷贝到新栈

        memmove(unsafe.Pointer(new.hi-ncopy), unsafe.Pointer(old.hi-ncopy), ncopy)

        // 从缓存或堆分配新栈

        new, newstkbar := stackalloc(uint32(newsize))

        if stackPoisonCopy != 0 {

                fillstack(new, 0xfd)

        }

        // 切换到新栈

        gp.stack = new

        gp.stackguard0 = new.lo + _StackGuard // NOTE: might clobber a preempt request

        gp.sched.sp = new.hi - used

        oldsize := gp.stackAlloc

        gp.stackAlloc = newsize

        gp.stkbar = newstkbar

        gp.stktopsp += adjinfo.delta

        // Adjust pointers in the new stack.

        gentraceback(^uintptr(0), ^uintptr(0), 0, gp, 0, nil, 0x7fffffff, adjustframe, noescape(unsafe.Pointer(&adjinfo)), 0)

        gcUnlockStackBarriers(gp)

        // 释放旧栈

        if stackPoisonCopy != 0 {

                fillstack(old, 0xfc)

        }

        stackfree(old, oldsize)

}

扯完了扩容,我们来看看缩容。一些long running的goroutine可能由于某次函数调用中引发了栈的扩容, 被调用函数返回后很大部分空间都未被利用,为了解决这样的问题,需要能够对栈进行收缩,以节约内存提高利用率。

栈收缩不是在函数调用时发生的,是由垃圾回收器在垃圾回收时主动触发的。基本过程是计算当前使用的空间,小于栈空间的1/4的话, 执行栈的收缩,将栈收缩为现在的1/2,否则直接返回。下面是栈收缩的部分代码(runtime/stack.go):

代码语言:javascript
复制
func shrinkstack(gp *g) {

        gstatus := readgstatus(gp)

        if gstatus&^_Gscan == _Gdead {

                if gp.stack.lo != 0 {

                        // Free whole stack - it will get reallocated

                        // if G is used again.

                        stackfree(gp.stack, gp.stackAlloc)

                        gp.stack.lo = 0

                        gp.stack.hi = 0

                        gp.stkbar = nil

                        gp.stkbarPos = 0

                }

                return

        }

        // 收缩目标是一半大小

        oldsize := gp.stackAlloc

        newsize := oldsize / 2

        // Don't shrink the allocation below the minimum-sized stack

        // allocation.

        if newsize < _FixedStack {

                return

        }

        // 如果使用空间超过1/4, 则不收缩

        avail := gp.stack.hi - gp.stack.lo

        if used := gp.stack.hi - gp.sched.sp + _StackLimit; used >= avail/4 {

                return

        }

        // 用较小的栈替换当前的栈

        copystack(gp, newsize, false)

}

扩缩容影响

在正常的http service、rpc service中,栈扩容和收缩的影响几乎可以忽略不计,大家在排查问题的时候可以直接跳过。 在一些对内存占用、延时敏感的服务中,要特别注意,否则将可能面临内存占用高、服务不稳定的状况。

我们用go构建的hybrid push服务,每个连接都是全双工的,使用两个routine来分别处理读写,刚开始上线压测时内存占用非常高,甚至出现OOM的情况。 刚开始怀疑堆占用过高,通过runtime和pprof排查,堆占用和预期设想的一样, 并没有太多的问题 ,一度非常头大。后来通过curl -s http://localhost:port/debug/pprof/heap?debug=1 | grep -A 20 runtime.MemStats 查看MemStats状态,发现Stack占用很高甚至达到了20G,基本上就确定了问题是由栈造成的,接下来就可以通过工具来定位具体的原因了。

我们借助了perf和FlameGraph来trace函数调用,下面是部分截图:

可以看到在rpc调用(grpc invoke)时,栈会发生扩容(runtime.morestack),也就意味着在读写routine内的任何rpc调用都会导致栈扩容, 占用的内存空间会扩大为原来的两倍,4kB的栈会变为8kB,100w的连接的内存占用会从8G扩大为16G(全双工,不考虑其他开销),这简直是噩梦。

解决这个问题的方案有很多,我们选择了channel和worker group,读写routine只负责流量和连接处理,逻辑处理的部分完全交给worker。 优化后,读写routine各占用4KB内存,运行过程中都不会出现栈扩容的问题,单机(24core 32G memory)可以承载100W连接和每秒2~3w消息的发送(512 ~ 1024 byte)。

上面介绍到栈缩容的目标是提高内存利用率,但在缩容过程中会存在栈拷贝和写屏障(write barrier),对于一些准实时应用可能会存在一些影响。 好在go提供了可设置的参数,需要的话大家可以通过设置环境变量 GODEBUG=gcshrinkstackoff=1 来关闭栈缩容。关闭栈缩容后, 需要承担栈持续增长的风险,在关闭前需要慎重考虑。

如果想查看程序运行过程中栈alloc、扩容、拷贝和缩容细节的话,可以通过设置stackDebug变量(runtime/stack.go)为非0, 然后重新编译程序(记得要重新编译runtime, 编译时加入-a参数),就可以看到所有栈操作的细节了。 暂时没有找到更好的设置方式比如GODEBUG之类的,如果大家更好的办法,欢迎告诉我。

备注

上面的所有常量和代码,都是基于Linux x86_64架构,go 1.8.3版本的。

参考文档

  • https://blog.cloudflare.com/how-stacks-are-handled-in-go/
  • http://www.brendangregg.com/perf.html
  • https://github.com/qyuhen/book
  • https://en.wikipedia.org/wiki/Thread_(computing)
  • https://golang.org/doc/asm
  • https://0xax.github.io/
本文参与 腾讯云自媒体同步曝光计划,分享自微信公众号。
原始发表:2017-08-10,如有侵权请联系 cloudcommunity@tencent.com 删除

本文分享自 Golang语言社区 微信公众号,前往查看

如有侵权,请联系 cloudcommunity@tencent.com 删除。

本文参与 腾讯云自媒体同步曝光计划  ,欢迎热爱写作的你一起参与!

评论
登录后参与评论
0 条评论
热度
最新
推荐阅读
领券
问题归档专栏文章快讯文章归档关键词归档开发者手册归档开发者手册 Section 归档