Hotspot源码解析-第十二章-线程栈保护页

了解保护页,先从几个问题开始吧

1、为什么线程栈有栈帧了,还要有保护页?

答:在操作系统中内存可以看成是一个大数组,这就有一个问题,线程之间可能会互相踩了别人的内存空间,所以栈空间也存在这个问题。为了防止栈溢出时破坏栈之外的数据结构,语言运行时会保留最大栈上限limit所在的一片区域,这就是保护页(Guard Page),也可叫哨兵值(Sentry)。当函数返回时检查保护页的值,如果被修改,说明已到达最大栈上限,此时就要输出错误并终止程序。

2、Java栈溢出后,保护页的作用?

答:Java也有栈溢出,发生时会抛出StackOverflowError,输出调用栈和代码行数。这些过程都需要额外执行很多方法,但是发生栈溢出就意味着不能继续执行方法了(因为方法执行需要栈空间)。为了解决这个问题,HotSpot虚拟机在C++语言运行时提供的保护页(Linux的JavaThread没有)之外会使用create_stack_guard_pages()创建额外的保护页来支持栈溢出错误处理,如图12-1所示。

3、保护页有几种类型及各类型的作用?

答:线程栈的最大上限处会保留三块保护页(Guard Page)支持栈溢出,分别是Reserved Page、Yellow Page、Red Page。图12-1中的主要内容分析如下:

1)Reserved Page:Reserved Page旨在为一些关键段(Critical Section)方法保存外栈空间,让有@ jdk.internal.vm.annotation.ReservedStackAccess注解的方法能完成执行(如lock与unlock之间的代码),防止关键段方法中的对象出现不一致的状态。当执行关键段方法时分配的栈顶触及Reserved Page,则虚拟机会将Reserved Page标记为正常栈空间,供关键段方法完成执行,然后再抛出StackOVerflowError。Reserved Page的大小由-XX:+StackReservedPages指定。

2)Yellow Page:如果执行Java代码时分配的栈顶触及YellowPage,则虚拟机会抛出StackOverflowError,然后将Yellow Page标为正常栈空间,让抛异常的代码有栈可用。Yellow Page的数量由参数-XX:StackYellowPages=指定,最后Yellow Page占用的空间是page数量*page大小(page的大小一般是4KB,如果开启-XX:+UseLargePages且操作系统支持large page特性,page的大小可达到4MB)。

3)Red Page:如果执行Java代码时分配的栈顶触及Red Page,则虚拟机会创建错误日志hs_err_pid.log然后关闭虚拟机。同样,为了让创建日志的代码执行,虚拟机会将Red Page标为正常栈空间。RedPage的大小由-XX:StackRedPages指定。

4)Shadow Page:前面区域都是执行Java代码出现栈溢出的错误处理。虚拟机还可能执行native方法或者虚拟机本身需要执行的方法,这些方法的栈大小不像Java代码一样能确定(编译器能确定但是虚拟机不能),如果开启虚拟机参数-XX:+UseStackBanging,JVM会分配一块足够大的Shadow Page执行,如果RSP(栈顶指针)超出Shadow Page区则抛出StackOverflowError。

有了create_stack_guard_pages()创建的额外的保护页,即便产生StackOverflowError,虚拟机也能执行额外的代码,正确地抛出Java异常并输出调用栈以提醒用户。

图12-1
在这里插入图片描述

图12-2 Java层面的栈布局
在这里插入图片描述

void JavaThread::create_stack_guard_pages() {if (!os::uses_stack_guard_pages() ||_stack_guard_state != stack_guard_unused ||(DisablePrimordialThreadGuardPages && os::is_primordial_thread())) {if (TraceThreadEvents) {tty->print_cr("Stack guard page creation for thread "UINTX_FORMAT " disabled", os::current_thread_id());}return;}// 这里为什么是栈基址减去栈大小呢,因为在Linux系统中,栈空间是从大到小开辟空间的,栈顶(ESP) <= 栈基址(EBP),正常栈基址EBP应该是在上面,而栈顶(ESP)是在下面,所以图12-1和图12-2实际上把它们倒过来看就行,画成正向的,是为了从概念上和感观上看更清晰address low_addr = stack_base() - stack_size();// 根据设置的Yellow Page数和Red Page数,然后乘以 page size,就可以得出要分配的空间size_t len = (StackYellowPages + StackRedPages) * os::vm_page_size();int allocate = os::allocate_stack_guard_pages();// 通过create_stack_guard_pages函数从low_addr地址开始分配长度为len的区域,底层是通过mmap系统调用完成的if (allocate && !os::create_stack_guard_pages((char *) low_addr, len)) {warning("Attempt to allocate stack guard pages failed.");return;  // 分配失败,退出函数}// 通过系统调用mprotect,设置这块区域不可访问,也就是激活保护区if (os::guard_memory((char *) low_addr, len)) {_stack_guard_state = stack_guard_enabled;  // 设置激活保护区状态} else {// 激活失败,就通过uncommit_memory释放空间warning("Attempt to protect stack guard pages failed.");if (os::uncommit_memory((char *) low_addr, len)) {warning("Attempt to deallocate stack guard pages failed.");}}
}

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