内核开发中使用的堆栈大小

Question

我正在开发一个操作系统，而不是对内核进行编程，我正在设计内核。 该操作系统针对的是 x86 架构，而我的目标是现代计算机。 预计所需 RAM 数量为 256Mb 或更多。

系统上每个线程运行的堆栈大小最好是多少？ 我是否应该尝试以这样的方式设计系统：如果达到最大长度，堆栈可以自动扩展？

我想，如果我没记错的话，RAM 中的一个页面是 4k 或 4096 字节，这对我来说似乎并不多。 我确实可以看到，特别是在使用大量递归时，我希望 RAM 中同时拥有超过 1000 个整数。 现在，真正的解决方案是让程序通过使用 malloc 来执行此操作并管理自己的内存资源，但实际上我想知道用户对此的看法。

4k 足够大来容纳现代计算机程序吗？ 堆栈应该比这个大吗？ 堆栈是否应该自动扩展以适应任何类型的大小？ 从实际开发人员的角度和安全的角度来看，我对此都很感兴趣。

4k 对于堆栈来说太大了吗？ 考虑到正常的程序执行，特别是从 C++ 中的类的角度来看，我注意到好的源代码往往会在创建类时使用 malloc/new 所需的数据，以最大程度地减少乱扔的数据在函数调用中。

我什至没有了解处理器缓存的大小。 理想情况下，我认为堆栈将驻留在缓存中以加快速度，但我不确定是否需要实现这一点，或者处理器是否可以为我处理它。 我只是打算使用普通无聊的旧内存进行测试。 我无法决定。 有什么选择？

Answer 1

堆栈大小取决于线程正在执行的操作。 我的建议：

• 在线程创建时将堆栈大小作为参数（不同的线程将执行不同的操作，因此需要不同的堆栈大小）
• 为那些不想指定堆栈大小（4K）的人提供合理的默认值吸引了我的控制狂，因为它会导致堆栈浪费，呃，很快得到信号）
• 考虑如何检测和处理堆栈溢出。 检测可能很棘手。 您可以将保护页（空）放在堆栈的末尾，这通常会起作用。 但你要依靠坏线程的行为来避免越过护城河并开始污染更远的地方。 一般来说，这种情况不会发生……但是，这就是让真正棘手的错误变得棘手的原因。 密封机制涉及破解编译器以生成堆栈检查代码。 至于处理堆栈溢出，您需要在其他地方有一个专用堆栈，在该堆栈上运行有问题的线程（或其守护天使，无论您决定是谁，毕竟您是操作系统设计者）。
• 我强烈建议用独特的模式标记堆栈的末端，这样当您的线程越过末端时（而且总是如此），您至少可以进行事后分析，看看确实有东西跑出了它的末端。堆。 0xDEADBEEF 或类似的页面很方便。

顺便说一句，x86 页面大小通常为 4k，但并非必须如此。 您可以选择 64k 尺寸甚至更大。 使用较大页面的通常原因是为了避免 TLB 未命中。 同样，我会将其设为内核配置或运行时参数。

Answer 2

在linux内核源代码中搜索KERNEL_STACK_SIZE，您会发现它非常依赖于体系结构 - PAGE_SIZE或2 * PAGE_SIZE等（下面只是一些结果 - 许多中间输出被删除）。

./arch/cris/include/asm/processor.h:
#define KERNEL_STACK_SIZE PAGE_SIZE

./arch/ia64/include/asm/ptrace.h:
# define KERNEL_STACK_SIZE_ORDER        3
# define KERNEL_STACK_SIZE_ORDER        2
# define KERNEL_STACK_SIZE_ORDER        1
# define KERNEL_STACK_SIZE_ORDER        0
#define IA64_STK_OFFSET         ((1 << KERNEL_STACK_SIZE_ORDER)*PAGE_SIZE)
#define KERNEL_STACK_SIZE       IA64_STK_OFFSET

./arch/ia64/include/asm/mca.h:
    u64 mca_stack[KERNEL_STACK_SIZE/8];
    u64 init_stack[KERNEL_STACK_SIZE/8];

./arch/ia64/include/asm/thread_info.h:
#define THREAD_SIZE         KERNEL_STACK_SIZE

./arch/ia64/include/asm/mca_asm.h:
#define MCA_PT_REGS_OFFSET      ALIGN16(KERNEL_STACK_SIZE-IA64_PT_REGS_SIZE)

./arch/parisc/include/asm/processor.h:
#define KERNEL_STACK_SIZE   (4*PAGE_SIZE)

./arch/xtensa/include/asm/ptrace.h:
#define KERNEL_STACK_SIZE (2 * PAGE_SIZE)

./arch/microblaze/include/asm/processor.h:
# define KERNEL_STACK_SIZE  0x2000

Answer 3

我将投入两分钱来让球滚动：

• 我不确定“典型”堆栈大小是多少。 我猜想每个线程可能是 8 KB，如果线程超过这个数量，就抛出异常。 但是，根据 此，Windows 有一个每个线程默认保留堆栈大小为 1MB，但不会一次性全部提交（页面在需要时提交）。 此外，您可以在编译时使用编译器指令为给定的 EXE 请求不同的堆栈大小。 不确定 Linux 是做什么的，但我看到了对 4 KB 堆栈的引用（尽管我认为这可以在编译内核时更改，并且我不确定默认堆栈大小是多少......）

• 这与与第一点一致。 您可能希望对每个线程可以获得的堆栈量有一个固定的限制。 程序将耗尽所有可用内存。

Answer 4

如果您使用虚拟内存，您确实希望使堆栈可增长。 强制静态分配堆栈大小，就像 Qthreads 和 Windows Fibers 等用户级线程中常见的那样，是一团糟。 使用困难，容易崩溃。 所有现代操作系统都会动态地增长堆栈，我认为通常是通过在当前堆栈指针下方设置一个或两个写保护保护页。 在那里写入，然后告诉操作系统堆栈已低于其分配的空间，并且您在其下方分配一个新的保护页面并使命中的页面可写。 只要没有单个函数分配超过一页的数据，就可以正常工作。 或者您可以使用两个或四个保护页来允许更大的堆栈帧。

如果您想要一种控制堆栈大小的方法，并且您的目标是一个真正受控且高效的环境，但不关心与 Linux 等相同风格的编程，请选择每次启动一个任务的单次执行模型检测到相关事件，运行直至完成，然后将任何持久数据存储在其任务数据结构中。 这样，所有线程就可以共享一个堆栈。 用于许多用于汽车控制等的超薄实时操作系统。

Answer 5

为什么不将堆栈大小设置为可配置项，或者与程序一起存储，或者在一个进程创建另一个进程时指定？

您可以通过多种方式进行配置。

有一个准则规定“0、1 或 n”，这意味着您应该允许零个、一个或任何数量（受内存等其他约束限制）的对象 - 这也适用于对象的大小。