docs/SegmentedStacks.rst

   1 ========================
   2 Segmented Stacks in LLVM
   3 ========================
   4
   5 .. contents::
   6    :local:
   7
   8 Introduction
   9 ============
  10
  11 Segmented stack allows stack space to be allocated incrementally than as a
  12 monolithic chunk (of some worst case size) at thread initialization. This is
  13 done by allocating stack blocks (henceforth called *stacklets*) and linking them
  14 into a doubly linked list. The function prologue is responsible for checking if
  15 the current stacklet has enough space for the function to execute; and if not,
  16 call into the libgcc runtime to allocate more stack space. Segmented stacks are
  17 enabled with the ``"split-stack"`` attribute on LLVM functions.
  18
  19 The runtime functionality is `already there in libgcc
  20 <http://gcc.gnu.org/wiki/SplitStacks>`_.
  21
  22 Implementation Details
  23 ======================
  24
  25 .. _allocating stacklets:
  26
  27 Allocating Stacklets
  28 --------------------
  29
  30 As mentioned above, the function prologue checks if the current stacklet has
  31 enough space. The current approach is to use a slot in the TCB to store the
  32 current stack limit (minus the amount of space needed to allocate a new block) -
  33 this slot's offset is again dictated by ``libgcc``. The generated
  34 assembly looks like this on x86-64:
  35
  36 .. code-block:: nasm
  37
  38     leaq     -8(%rsp), %r10
  39     cmpq     %fs:112,  %r10
  40     jg       .LBB0_2
  41
  42     # More stack space needs to be allocated
  43     movabsq  $8, %r10   # The amount of space needed
  44     movabsq  $0, %r11   # The total size of arguments passed on stack
  45     callq    __morestack
  46     ret                 # The reason for this extra return is explained below
  47   .LBB0_2:
  48     # Usual prologue continues here
  49
  50 The size of function arguments on the stack needs to be passed to
  51 ``__morestack`` (this function is implemented in ``libgcc``) since that number
  52 of bytes has to be copied from the previous stacklet to the current one. This is
  53 so that SP (and FP) relative addressing of function arguments work as expected.
  54
  55 The unusual ``ret`` is needed to have the function which made a call to
  56 ``__morestack`` return correctly. ``__morestack``, instead of returning, calls
  57 into ``.LBB0_2``. This is possible since both, the size of the ``ret``
  58 instruction and the PC of call to ``__morestack`` are known. When the function
  59 body returns, control is transferred back to ``__morestack``. ``__morestack``
  60 then de-allocates the new stacklet, restores the correct SP value, and does a
  61 second return, which returns control to the correct caller.
  62
  63 Variable Sized Allocas
  64 ----------------------
  65
  66 The section on `allocating stacklets`_ automatically assumes that every stack
  67 frame will be of fixed size. However, LLVM allows the use of the ``llvm.alloca``
  68 intrinsic to allocate dynamically sized blocks of memory on the stack. When
  69 faced with such a variable-sized alloca, code is generated to:
  70
  71 * Check if the current stacklet has enough space. If yes, just bump the SP, like
  72   in the normal case.
  73 * If not, generate a call to ``libgcc``, which allocates the memory from the
  74   heap.
  75
  76 The memory allocated from the heap is linked into a list in the current
  77 stacklet, and freed along with the same. This prevents a memory leak.