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Linux的进程内核栈

http://blog.chinaunix.net/uid-20543672-id-2996319.html

  • 内核具有非常小的栈,它可能只和一个4096或8192字节大小的页那样小

什么是进程的“内核栈”?

在每一个进程的生命周期中,必然会通过到系统调用陷入内核。在执行系统调用陷入内核之后,这些内核代码所使用的栈并不是原先用户空间中的栈,而是一个内核空间的栈,这个称作进程的“内核栈”。

比如,有一个简单的字符驱动实现了open方法。在这个驱动挂载后,应用程序对那个驱动所对应的设备节点执行open操作,这个应用程序的open其实 就通过glib库调用了Linux的open系统调用,执行系统调用陷入内核后,处理器转换为了特权模式(具体的转换机制因构架而异,对于ARM来说普通 模式和用户模式的的栈针(SP)是不同的寄存器),此时使用的栈指针就是内核栈指针,他指向内核为每个进程分配的内核栈空间。

内核栈的作用

我个人的理解是:在陷入内核后,系统调用中也是存在函数调用和自动变量,这些都需要栈支持。用户空间的栈显然不安全,需要内核栈的支持。此外,内核栈同时用于保存一些系统调用前的应用层信息(如用户空间栈指针、系统调用参数)。

内核栈与进程结构体的关联

每个进程在创建的时候都会得到一个内核栈空间,内核栈和进程的对应关系是通过2个结构体中的指针成员来完成的:

(1)struct task_struct

在学习Linux进程管理肯定要学的结构体,在内核中代表了一个进程,其中记录的进程的所有状态信息,定义在Sched.h (include\linux)。
其中有一个成员:void *stack;就是指向下面的内核栈结构体的“栈底”。
在系统运行的时候,宏current获得的就是当前进程的struct task_struct结构体。

(2)内核栈结构体union thread_union
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union thread_union {
	struct thread_info thread_info;
	unsigned long stack[THREAD_SIZE/sizeof(long)];
};

其中struct thread_info是记录部分进程信息的结构体,其中包括了进程上下文信息:

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/*
 * 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;
};

关键是其中的task成员,指向的是所创建的进程的struct task_struct结构体

而其中的stack成员就是内核栈。从这里可以看出内核栈空间和 thread_info是共用一块空间的。如果内核栈溢出, thread_info就会被摧毁,系统崩溃了~~~

内核栈—struct thread_info—-struct task_struct三者的关系入下图:

内核栈的产生

在进程被创建的时候,fork族的系统调用中会分别为内核栈和struct task_struct分配空间,调用过程是: fork族的系统调用—>do_fork—>copy_process—>dup_task_struct 在dup_task_struct函数中:

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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使用内核的slab分配器去为所要创建的进程分配struct task_struct的空间
而alloc_thread_info使用内核的伙伴系统去为所要创建的进程分配内核栈(union thread_union )空间

注意:

后面的tsk->stack = ti;语句,这就是关联了struct task_struct和内核栈 而在setup_thread_stack(tsk, orig);中,关联了内核栈和struct task_struct:

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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;
}

内核栈的大小

由于是每一个进程都分配一个内核栈空间,所以不可能分配很大。这个大小是构架相关的,一般以页为单位。其实也就是上面我们看到的THREAD_SIZE, 这个值一般为4K或者8K。对于ARM构架,这个定义在Thread_info.h (arch\arm\include\asm),

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#define THREAD_SIZE_ORDER  1
#define THREAD_SIZE   8192
#define THREAD_START_SP   (THREAD_SIZE - 8)

所以ARM的内核栈是8KB 在(内核)驱动编程时需要注意的问题: 由于栈空间的限制,在编写的驱动(特别是被系统调用使用的底层函数)中要注意避免对栈空间消耗较大的代码,比如递归算法、局部自动变量定义的大小等等