对Linux的进程内核栈的认识

当我重新阅读《LDD3》时，我发现了一个曾经忽略的句子：“内核具有非常小的栈，它可能只有像一个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”。

进程的“内核栈”是什么？ 在每个进程的生命周期中，必然会通过系统调用陷入内核。在执行系统调用陷入内核后，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，也就是进程的“内核栈”。

例如，一个简单的字符驱动程序实现了open()方法。在这个驱动程序挂载后，应用程序通过glib库调用Linux的open()系统调用。当执行系统调用陷入内核后，处理器会转换为特权模式（具体的转换机制因处理器架构而异。例如，对于ARM，普通模式和用户模式的栈指针（SP）是不同的寄存器）。此时，使用的栈指针就是内核栈指针，它指向内核为每个进程分配的内核栈空间。

内核栈的作用 个人理解是：在陷入内核后，系统调用中也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，因此需要内核栈的支持。此外，内核栈还用于保存一些系统调用前的应用层信息（例如，用户空间栈指针和系统调用参数）。

内核栈与进程结构体的关联 每个进程在创建时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两个结构体中的指针成员来完成的： （1）struct task_struct 在学习Linux进程管理时，必须学习的结构体。它在内核中代表了一个进程，并记录了进程的所有状态信息。该结构体定义在Sched.h（include\linux）中。其中有一个成员void *stack，它指向下面的内核栈结构体的“栈底”。 在系统运行时，宏current获得的是当前进程的struct task_struct结构体。

（2）内核栈结构体union thread_union

1. union thread_union {
2.   struct thread_info thread_info;
3.   unsigned long stack[THREAD_SIZE/sizeof(long)];
4. };

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:

1. /*
2.  \* low level task data that entry.S needs immediate access to.
3.  \* __switch_to() assumes cpu_context follows immediately after cpu_domain.
4.  */
5. struct thread_info {
6.   unsigned long    flags;    /* low level flags */
7.   int      preempt_count;  /* 0 => preemptable,  bug */
8.   mm_segment_t    addr_limit;  /* address limit */
9.   struct task_struct  *task;    /* main task structure */
10.   struct exec_domain  *exec_domain;  /* execution domain */
11.   __u32      cpu;    /* cpu */
12.   __u32      cpu_domain;  /* cpu domain */
13.   struct cpu_context_save  cpu_context;  /* cpu context */
14.   __u32      syscall;  /* syscall number */
15.   __u8      used_cp[16];  /* thread used copro */
16.   unsigned long    tp_value;
17.   struct crunch_state  crunchstate;
18.   union fp_state    fpstate __attribute__((aligned(8)));
19.   union vfp_state    vfpstate;
20. \#ifdef CONFIG_ARM_THUMBEE
21.   unsigned long    thumbee_state;  /* ThumbEE Handler Base register */
22. \#endif
23.   struct restart_block  restart_block;
24. };

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：

1. static struct task_struct *dup_task_struct(struct task_struct *orig)
2. {
3.   struct task_struct *tsk;
4.   struct thread_info *ti;
5.   unsigned long *stackend;
6.  
7.   int err;
8.  
9.   prepare_to_copy(orig);
10.  
11.   **tsk = alloc_task_struct();**
12.   if (!tsk)
13. ​    return NULL;
14.  
15.   **ti = alloc_thread_info(tsk);**
16.   if (!ti) {
17. ​    free_task_struct(tsk);
18. ​    return NULL;
19.   }
20.  
21.    err = arch_dup_task_struct(tsk, orig);
22.   if (err)
23. ​    goto out;
24.  
25.   **tsk->stack = ti;**
26.  
27.   err = prop_local_init_single(&tsk->dirties);
28.   if (err)
29. ​    goto out;
30.  
31.   **setup_thread_stack(tsk, orig);**
32. ......

 

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：

1. static inline void setup_thread_stack(struct task_struct *p, struct task_struct *org)
2. {
3.   *task_thread_info(p) = *task_thread_info(org);
4.   task_thread_info(p)->task = p;
5. }

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)，

1. \#define THREAD_SIZE_ORDER  1
2. \#define THREAD_SIZE   8192
3. \#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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