对Linux的进程内核栈的认识

电子工程师 2019-05-12 626

嵌入式技术

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描述

在重游《LDD3》的时候，又发现了一个当年被我忽略的一句话:

“内核具有非常小的栈，它可能只和一个4096字节大小的页那样小”

针对这句话，我简单地学习了一下进程的“内核栈”

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

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:

* 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：

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：

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)，

#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

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