對Linux的進(jìn)程內(nèi)核棧的認(rèn)識

在重游《LDD3》的時候，又發(fā)現(xiàn)了一個當(dāng)年被我忽略的一句話:

“內(nèi)核具有非常小的棧，它可能只和一個4096字節(jié)大小的頁那樣小”

針對這句話，我簡單地學(xué)習(xí)了一下進(jìn)程的“內(nèi)核?！?/p>

什么是進(jìn)程的“內(nèi)核棧”？
? ? 在每一個進(jìn)程的生命周期中，必然會通過到系統(tǒng)調(diào)用陷入內(nèi)核。在執(zhí)行系統(tǒng)調(diào)用陷入內(nèi)核之后，這些內(nèi)核代碼所使用的棧并不是原先用戶空間中的棧，而是一個內(nèi)核空間的棧，這個稱作進(jìn)程的“內(nèi)核棧”。

比如，有一個簡單的字符驅(qū)動實現(xiàn)了open方法。在這個驅(qū)動掛載后，應(yīng)用程序?qū)δ莻€驅(qū)動所對應(yīng)的設(shè)備節(jié)點執(zhí)行open操作，這個應(yīng)用程序的open其實就通過glib庫調(diào)用了Linux的open系統(tǒng)調(diào)用，執(zhí)行系統(tǒng)調(diào)用陷入內(nèi)核后，處理器轉(zhuǎn)換為了特權(quán)模式（具體的轉(zhuǎn)換機(jī)制因構(gòu)架而異，對于ARM來說普通模式和用戶模式的的棧針（SP）是不同的寄存器），此時使用的棧指針就是內(nèi)核棧指針，他指向內(nèi)核為每個進(jìn)程分配的內(nèi)核?？臻g。

內(nèi)核棧的作用
? ? ?我個人的理解是：在陷入內(nèi)核后，系統(tǒng)調(diào)用中也是存在函數(shù)調(diào)用和自動變量，這些都需要棧支持。用戶空間的棧顯然不安全，需要內(nèi)核棧的支持。此外，內(nèi)核棧同時用于保存一些系統(tǒng)調(diào)用前的應(yīng)用層信息（如用戶空間棧指針、系統(tǒng)調(diào)用參數(shù)）。

內(nèi)核棧與進(jìn)程結(jié)構(gòu)體的關(guān)聯(lián)
? ? 每個進(jìn)程在創(chuàng)建的時候都會得到一個內(nèi)核?？臻g，內(nèi)核棧和進(jìn)程的對應(yīng)關(guān)系是通過2個結(jié)構(gòu)體中的指針成員來完成的：
（1）struct task_struct
? ? 在學(xué)習(xí)Linux進(jìn)程管理肯定要學(xué)的結(jié)構(gòu)體，在內(nèi)核中代表了一個進(jìn)程，其中記錄的進(jìn)程的所有狀態(tài)信息，定義在Sched.h (include\linux)。
? ? 其中有一個成員：void *stack;就是指向下面的內(nèi)核棧結(jié)構(gòu)體的“棧底”。
? ? 在系統(tǒng)運行的時候，宏current獲得的就是當(dāng)前進(jìn)程的struct task_struct結(jié)構(gòu)體。

（2）內(nèi)核棧結(jié)構(gòu)體union thread_union

union thread_union?{

struct thread_info thread_info;

unsigned long stack[THREAD_SIZE/sizeof(long)];

};

其中struct thread_info是記錄部分進(jìn)程信息的結(jié)構(gòu)體，其中包括了進(jìn)程上下文信息:

/*

*?low level task data that entry.S needs immediate access?to.

*?__switch_to()?assumes cpu_context follows immediately after cpu_domain.

*/

struct thread_info?{

unsigned long????????flags;????????/*?low level flags?*/

int????????????preempt_count;????/*?0?=>?preemptable,?<0?=>?bug?*/

mm_segment_t????????addr_limit;????/*?address limit?*/

struct task_struct????*task;????????/* main task structure */

struct exec_domain????*exec_domain;????/*?execution domain?*/

__u32????????????cpu;????????/*?cpu?*/

__u32????????????cpu_domain;????/*?cpu domain?*/

struct cpu_context_save????cpu_context;????/*?cpu context?*/

__u32????????????syscall;????/*?syscall number?*/

__u8????????????used_cp[16];????/*?thread used copro?*/

unsigned long????????tp_value;

struct crunch_state????crunchstate;

union fp_state????????fpstate __attribute__((aligned(8)));

union vfp_state????????vfpstate;

#ifdef CONFIG_ARM_THUMBEE

unsigned long????????thumbee_state;????/*?ThumbEE Handler Base register?*/

#endif

struct restart_block????restart_block;

};

關(guān)鍵是其中的task成員，指向的是所創(chuàng)建的進(jìn)程的struct task_struct結(jié)構(gòu)體

而其中的stack成員就是內(nèi)核棧。從這里可以看出內(nèi)核?？臻g和 thread_info是共用一塊空間的。如果內(nèi)核棧溢出， thread_info就會被摧毀，系統(tǒng)崩潰了～～～

內(nèi)核棧---struct thread_info----struct task_struct三者的關(guān)系入下圖：

內(nèi)核棧的產(chǎn)生
? ? 在進(jìn)程被創(chuàng)建的時候，fork族的系統(tǒng)調(diào)用中會分別為內(nèi)核棧和struct task_struct分配空間，調(diào)用過程是：

fork族的系統(tǒng)調(diào)用--->do_fork--->copy_process--->dup_task_struct

在dup_task_struct函數(shù)中：

static struct task_struct?*dup_task_struct(struct task_struct?*orig)

{

struct task_struct?*tsk;

struct thread_info?*ti;

unsigned long?*stackend;

int?err;

prepare_to_copy(orig);

tsk = alloc_task_struct();

if?(!tsk)

return?NULL;

ti = alloc_thread_info(tsk);

if?(!ti)?{

free_task_struct(tsk);

return?NULL;

}

err?=?arch_dup_task_struct(tsk,?orig);

if?(err)

goto out;

tsk->stack = ti;

err?=?prop_local_init_single(&tsk->dirties);

if?(err)

goto out;

setup_thread_stack(tsk, orig);

......

其中alloc_task_struct使用內(nèi)核的slab分配器去為所要創(chuàng)建的進(jìn)程分配struct task_struct的空間
而alloc_thread_info使用內(nèi)核的伙伴系統(tǒng)去為所要創(chuàng)建的進(jìn)程分配內(nèi)核棧（union thread_union ）空間

注意：
后面的tsk->stack = ti;語句，這就是關(guān)聯(lián)了struct task_struct和內(nèi)核棧
而在setup_thread_stack(tsk, orig);中，關(guān)聯(lián)了內(nèi)核棧和struct task_struct：

static inline void setup_thread_stack(struct task_struct?*p,?struct task_struct?*org)

{

*task_thread_info(p)?=?*task_thread_info(org);

task_thread_info(p)->task?=?p;

}

內(nèi)核棧的大小
? ? 由于是每一個進(jìn)程都分配一個內(nèi)核?？臻g，所以不可能分配很大。這個大小是構(gòu)架相關(guān)的，一般以頁為單位。其實也就是上面我們看到的THREAD_SIZE，這個值一般為4K或者8K。對于ARM構(gòu)架，這個定義在Thread_info.h (arch\arm\include\asm)，

#define THREAD_SIZE_ORDER????1

#define THREAD_SIZE???? 8192

#define THREAD_START_SP?????(THREAD_SIZE?-?8)

所以ARM的內(nèi)核棧是8KB

在（內(nèi)核）驅(qū)動編程時需要注意的問題：
? ??由于棧空間的限制，在編寫的驅(qū)動（特別是被系統(tǒng)調(diào)用使用的底層函數(shù)）中要注意避免對?？臻g消耗較大的代碼，比如遞歸算法、局部自動變量定義的大小等等

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