Linux 进程栈和线程栈的区别

注：本文所涉及的环境为Linux， 下文讨论的栈跟内核栈，没有任何的关系，关于内核栈，请参考《深入Linux内核架构》中的2.4.1 进程复制

这里有如下几个问题，线程栈的空间是开辟在那里的？ 线程栈之间可以互访吗？为什么在使用pthread_attr_setstack函数时，需要设置栈的大小，而进程task_struct的 mm_struct *mm 成员中却并没有却并没有stack_size这个成员项，怎么保存的栈大小呢？

进程栈：

        进程用户空间的管理在task_struct 的mm_struct *mm成员中体现， mm中的成员定义了用户空间的布局情况如图一。 用户空间的栈起始于STACK_TOP， 如果设置了PF_RANDOMIZE，则起始点会减少一个小的随机量，每个体系结构都必须定义STACK_TOP, 大多数都设置为TASK_SIZE, 在32位机上该值为0XC0000000。经过随机处理后，进程栈的起始地址将存放在mm->start_stack中，可以通过cat /proc/xxx/stat 查看。

      如图一，栈从上而下扩展，而用于内存映射的区域起始于mm->mmap_base, mm->mmap_base通过调用mmap_base函数来初始化，为了确保栈不与mmap区域不发生冲突，两者之间设置了一个安全间隙。mmap_base函数源代码如下：

#define MIN_GAP (128*1024*1024) 
#define MAX_GAP (TASK_SIZE/6*5)
static inline unsigned long mmap_base(struct mm_struct *mm)
{
  unsigned long gap = current->signal->rlim[RLIMIT_STACK].rlim_cur; // rlim_cur 默认为8388608，及8M， 可以使用 getrlimit(RLIMIT_STACK, &limit) 查看
  unsigned long random_factor = 0;
  if (current->flags & PF_RANDOMIZE)
    random_factor = get_random_int() % (1024*1024);
  if (gap < MIN_GAP) // 通过MIN_GAP来保证，进程栈的大小至少为128MB
    gap = MIN_GAP;
  else if (gap > MAX_GAP) // 栈的最大空间为TASK_SIZE/6*5, 及2.5G
    gap = MAX_GAP;
  return PAGE_ALIGN(TASK_SIZE - gap - random_factor); // 通过保留random_factor空间大小的间隙来防止栈溢出
}

 

图 一 IA-32计算机上虚拟地址空间的布局

线程栈：

        线程包含了表示进程内执行环境必需的信息，其中包括进程中标示线程的线程ID，一组寄存器值，栈，调度优先级和策略， 信号屏蔽字，errno变量以及线程私有数据。进程的所有信息对该进程的所有线程都是共享的，包括可执行的程序文本，程序的全局内存和堆内存，栈以及文件描述符，所以线程的mm_struct *mm指针变量和所属进程的mm指针变量相同。

       在创建线程的时候，可以通过pthread_attr_t来初始化线程的属性，包括线程的栈布局信息，如栈起始地址stackaddr, 栈大小stacksize。 具体需要通过方法

int pthread_attr_setstack(pthread_attr_t *attr, void *stackaddr, size_t stacksize);
// 注：stackaddr 指向为该线程开辟的空间，该空间可以使用malloc或者mmap来开辟，而不能来自进程的栈区。开辟的stackaddr所指向的动态空间需要自己负责释放。

当然也可将线程栈的空间管理交给系统，如果想改变系统默认的栈大小8MB，可以通过

int pthread_attr_setstacksize(pthread_attr_t *attr, size_t stacksize);
// 注：stacksize最小值为16384，单位为字节

由上面的API接口，可以得到，线程栈的stacksize是保存在pthread_attr_t中的，可以通过人为的指定，也可以通过在创建线程的时候读取系统的配置文件来初始化stacksize，当初始化完栈的起始地址，和大小后，便可以通过

int pthread_attr_setguardsize(pthread_attr_t *attr, size_t guardsize);

来初始化线程栈末尾之后用以避免栈溢出的缓冲区的大小，如果应用程序溢出到此缓冲区中，这个错误可能会导致 SIGSEGV 信号被发送给该线程, 从而造成段错误，缓冲区默认设置为PAGESIZE个字节。因为线程的mm->start_stack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，应该只是使用attr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）。

总结：线程栈的空间开辟在所属进程的堆区，线程与其所属的进程共享进程的用户空间，所以线程栈之间可以互访。线程栈的起始地址和大小存放在pthread_attr_t 中，栈的大小并不是用来判断栈是否越界，而是用来初始化避免栈溢出的缓冲区的大小（或者说安全间隙的大小）