Linux C程序栈增长隐式mremap机制及mmap自定义栈相关问题

你提到的内核文档原文翻译如下：

C语言的栈增长会执行隐式的mremap操作。如果你需要绝对的内存分配保证，且内存使用接近系统上限，必须自行用mmap分配你预估所需最大尺寸的栈空间。对于常规的栈使用场景这影响不大，但如果你对内存分配确定性有极高要求，这是一个需要注意的极端场景。

问题1：当前语境下的"stack growth（栈增长）"具体指什么？是否意味着C程序在栈上持续分配/释放内存时，后台会自动调用mremap()？若栈大小已在编译时确定，为何会触发该操作？ #

这里的栈增长指的是Linux内核为进程栈对应的虚拟内存区域(VMA)做的动态扩容操作，和用户态代码调整栈指针分配/释放局部内存的行为不是一回事：

• 普通的栈上内存分配（比如函数进入时移动rsp指针预留局部变量空间）、释放（函数退出时回滚rsp）完全是用户态行为，不会触发任何系统调用，也和mremap无关。
• 内核最初只会给进程栈分配很小的已映射内存（通常只有几页），当进程访问的栈地址超出当前已映射的页边界时，会触发页中断，内核校验访问地址没有超出RLIMIT_STACK限制（也就是常说的栈大小上限，Linux下这个是进程运行时的资源限制，不是编译时硬编码的，gcc相关栈大小参数仅对Windows平台生效）后，会自动扩容栈对应的VMA范围，这个扩容操作底层就是隐式调用了mremap()实现的。
• 你提到的栈大小上限是允许扩容的最大值，不是进程启动时就分配的固定大小，栈是按需逐步扩容到上限的，所以扩容过程中就会触发隐式mremap。

问题2：如何通过mmap自定义分配栈内存？ #

自定义栈的核心逻辑是自行分配一段固定大小的内存，交给程序/线程作为栈空间使用，内核不会再对这段内存做动态扩容，也就不存在隐式mremap的问题，常规使用场景是给自定义线程指定栈，示例流程和代码如下：

1. 调用mmap分配你所需大小的内存，注意配置对应权限和标志：
   • 权限配置为PROT_READ | PROT_WRITE，允许读写
   • 标志添加MAP_GROWSDOWN，标记这段内存是向下增长的栈结构
2. 把分配的内存通过对应接口设置为栈：如果是pthread线程，调用pthread_attr_setstack绑定到线程属性即可；如果需要替换主进程栈，需要手动调整rsp栈指针，风险较高不建议常规使用。

示例代码：

#include <pthread.h>
#include <sys/mman.h>
#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>

// 自定义栈大小16MB，可按自身需求调整最大值
#define CUSTOM_STACK_SIZE (16 * 1024 * 1024)

void* custom_stack_thread(void* arg) {
    // 此处运行时使用的就是你自定义的栈空间
    char large_buf[1024 * 1024 * 8]; // 8MB的栈变量也可正常使用
    printf("线程运行在自定义栈上\n");
    return NULL;
}

int main() {
    pthread_t t_id;
    pthread_attr_t t_attr;
    void* stack_base;

    // 分配自定义栈内存
    stack_base = mmap(
        NULL, // 让内核自动选择虚拟地址
        CUSTOM_STACK_SIZE,
        PROT_READ | PROT_WRITE,
        MAP_PRIVATE | MAP_ANONYMOUS | MAP_GROWSDOWN,
        -1, // 匿名映射不需要文件描述符
        0
    );
    if (stack_base == MAP_FAILED) {
        perror("mmap分配栈失败");
        exit(1);
    }

    // 初始化线程属性，绑定自定义栈
    pthread_attr_init(&t_attr);
    pthread_attr_setstack(&t_attr, stack_base, CUSTOM_STACK_SIZE);

    // 用自定义属性创建线程
    pthread_create(&t_id, &t_attr, custom_stack_thread, NULL);
    pthread_join(t_id, NULL);

    // 线程退出后释放栈内存
    munmap(stack_base, CUSTOM_STACK_SIZE);
    return 0;
}

内容的提问来源于stack exchange，提问作者HCSF