Linux中進程內核棧是什么

這篇文章主要介紹了Linux中進程內核棧是什么，具有一定借鑒價值，感興趣的朋友可以參考下，希望大家閱讀完這篇文章之后大有收獲，下面讓小編帶著大家一起了解一下。

什么是進程的“內核棧”？

在每一個進程的生命周期中，必然會通過到系統調用陷入內核。在執行系統調用陷入內核之后，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點執行open操作，這個應用程序的open其實就通過glib庫調用了Linux的open系統調用，執行系統調用陷入內核后，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棧空間。

內核棧的作用

我個人的理解是：在陷入內核后，系統調用中也是存在函數調用和自動變量，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調用前的應用層信息（如用戶空間棧指針、系統調用參數）。

內核棧與進程結構體的關聯

每個進程在創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：

內核棧的產生

在進程被創建的時候，fork族的系統調用中會分別為內核棧和struct task_struct分配空間，調用過程是：

fork族的系統調用--->do_fork--->copy_process--->dup_task_struct

在dup_task_struct函數中：

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去為所要創建的進程分配內核棧（union thread_union ）空間

注意：

后面的tsk->stack = ti;語句，這就是關聯了struct task_struct和內核棧

而在setup_thread_stack(tsk, orig);中，關聯了內核棧和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（特別是被系統調用使用的底層函數）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

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