對Linux的進程內核棧的認識

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

“內核具有非常小的棧，它可能只和一個4096字節(jié)大小的頁那樣小”

針對這句話，我簡單地學習了一下進程的“內核?！?/p>

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

比如，有一個簡單的字符驅動實現(xiàn)了open方法。在這個驅動掛載后，應用程序對那個驅動所對應的設備節(jié)點執(zhí)行open操作，這個應用程序的open其實就通過glib庫調用了Linux的open系統(tǒng)調用，執(zhí)行系統(tǒng)調用陷入內核后，處理器轉換為了特權模式（具體的轉換機制因構架而異，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核棧指針，他指向內核為每個進程分配的內核?？臻g。

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

內核棧與進程結構體的關聯(lián)
? ? 每個進程在創(chuàng)建的時候都會得到一個內核棧空間，內核棧和進程的對應關系是通過2個結構體中的指針成員來完成的：
（1）struct task_struct
? ? 在學習Linux進程管理肯定要學的結構體，在內核中代表了一個進程，其中記錄的進程的所有狀態(tài)信息，定義在Sched.h (include\linux)。
? ? 其中有一個成員：void *stack;就是指向下面的內核棧結構體的“棧底”。
? ? 在系統(tǒng)運行的時候，宏current獲得的就是當前進程的struct task_struct結構體。

（2）內核棧結構體union thread_union

union thread_union?{

struct thread_info thread_info;

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

};

其中struct thread_info是記錄部分進程信息的結構體，其中包括了進程上下文信息:

/*

*?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;

};

關鍵是其中的task成員，指向的是所創(chuàng)建的進程的struct task_struct結構體

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

內核棧---struct thread_info----struct task_struct三者的關系入下圖：

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

fork族的系統(tǒng)調用--->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使用內核的slab分配器去為所要創(chuàng)建的進程分配struct task_struct的空間
而alloc_thread_info使用內核的伙伴系統(tǒng)去為所要創(chuàng)建的進程分配內核棧（union thread_union ）空間

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

}

內核棧的大小
? ? 由于是每一個進程都分配一個內核棧空間，所以不可能分配很大。這個大小是構架相關的，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的內核棧是8KB

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

?