進程棧、線程棧、內核棧分別是什么

本篇內容主要講解“進程棧、線程棧、內核棧分別是什么”，感興趣的朋友不妨來看看。本文介紹的方法操作簡單快捷，實用性強。下面就讓小編來帶大家學習“進程棧、線程棧、內核棧分別是什么”吧!

進程描述符 task_struct

線程創建的時候，加上了 CLONE_VM 標記，這樣 線程的內存描述符 將直接指向 父進程的內存描述符。

內存描述符mm_struct

進程棧：stack

線程棧：使用mmap系統調用分配的空間，但是mmap分配的系統空間是什么呢？也就是上圖中的mmap區域或者說共享的內存映射區域是什么呢?它的方向是向上生長還是向下生長的?

mmap其實和堆一樣，實際上可以說他們都是動態內存分配，但是嚴格來說mmap區域并不屬于堆區，反而和堆區會爭用虛擬地址空間。

這里要提到一個很重要的概念，內存的延遲分配，只有在真正訪問一個地址的時候才建立這個地址的物理映射，這是Linux內存管理的基本思想。Linux內核在用戶申請內存的時候，只是給它分配了一個線性區（也就是虛擬內存），并沒有分配實際物理內存；只有當用戶使用這塊內存的時候，內核才會分配具體的物理頁面給用戶，這時候才占用寶貴的物理內存。內核釋放物理頁面是通過釋放先行區，找到其對應的物理頁面，將其全部釋放的過程。

struct mm_struct {
    struct vm_area_struct *mmap;           /* 內存區域鏈表 */
    struct rb_root mm_rb;                  /* VMA 形成的紅黑樹 */
    ...
    struct list_head mmlist;               /* 所有 mm_struct 形成的鏈表 */
    ...
    unsigned long total_vm;                /* 全部頁面數目 */
    unsigned long locked_vm;               /* 上鎖的頁面數據 */
    unsigned long pinned_vm;               /* Refcount permanently increased */
    unsigned long shared_vm;               /* 共享頁面數目 Shared pages (files) */
    unsigned long exec_vm;                 /* 可執行頁面數目 VM_EXEC & ~VM_WRITE */
    unsigned long stack_vm;                /* 棧區頁面數目 VM_GROWSUP/DOWN */
    unsigned long def_flags;
    unsigned long start_code, end_code, start_data, end_data;    /* 代碼段、數據段 起始地址和結束地址 */
    unsigned long start_brk, brk, start_stack;                   /* 棧區 的起始地址，堆區 起始地址和結束地址 */
    unsigned long arg_start, arg_end, env_start, env_end;        /* 命令行參數 和 環境變量的 起始地址和結束地址 */
    ...
    /* Architecture-specific MM context */
    mm_context_t context;                  /* 體系結構特殊數據 */

    /* Must use atomic bitops to access the bits */
    unsigned long flags;                   /* 狀態標志位 */
    ...
    /* Coredumping and NUMA and HugePage 相關結構體 */
};

為什么需要區分這些棧，其實都是設計上的問題。這里就我看到過的一些觀點進行匯總，供大家討論：

1. 為什么需要單獨的進程內核棧？

• 所有進程運行的時候，都可能通過系統調用陷入內核態繼續執行。假設第一個進程 A 陷入內核態執行的時候，需要等待讀取網卡的數據，主動調用 schedule() 讓出 CPU；此時調度器喚醒了另一個進程 B，碰巧進程 B 也需要系統調用進入內核態。那問題就來了，如果內核棧只有一個，那進程 B 進入內核態的時候產生的壓棧操作，必然會破壞掉進程 A 已有的內核棧數據；一但進程 A 的內核棧數據被破壞，很可能導致進程 A 的內核態無法正確返回到對應的用戶態了；

2. 為什么需要單獨的線程棧？

• 此時 A1 的棧指針 esp 如果為初始值 0x7ffc80000000，則線程 A1 一但出現函數調用，必然會破壞父進程 A 已入棧的數據。

• 如果此時線程 A1 的棧指針和父進程最后更新的值一致，esp 為 0x7ffc8000FF00，那線程 A1 進行一些函數調用后，棧指針 esp 增加到 0x7ffc8000FFFF，然后線程 A1 休眠；調度器再次換成父進程 A 執行，那這個時候父進程的棧指針是應該為 0x7ffc8000FF00 還是 0x7ffc8000FFFF 呢？無論棧指針被設置到哪個值，都會有問題不是嗎？

• Linux 調度程序中并沒有區分線程和進程，當調度程序需要喚醒”進程”的時候，必然需要恢復進程的上下文環境，也就是進程棧；但是線程和父進程完全共享一份地址空間，如果棧也用同一個那就會遇到以下問題。假如進程的棧指針初始值為 0x7ffc80000000；父進程 A 先執行，調用了一些函數后棧指針 esp 為 0x7ffc8000FF00，此時父進程主動休眠了；接著調度器喚醒子線程 A1： 

3. 進程和線程是否共享一個內核棧？

• No，線程和進程創建的時候都調用 dup_task_struct 來創建 task 相關結構體，而內核棧也是在此函數中 alloc_thread_info_node 出來的。因此雖然線程和進程共享一個地址空間 mm_struct，但是并不共享一個內核棧。

4. 為什么需要單獨中斷棧？

• 這個問題其實不對，ARM 架構就沒有獨立的中斷棧。

進程空間中堆和棧的區別：

空間大小：棧系統指定大小限制在8M（M 級別），棧是連續空間；堆沒有限定，是不連續存儲空間，靠鏈表鏈接。

分配方式：堆都是程序員代碼中動態分配和回收的，沒有回收會產生內存泄露；棧有2種分配方式：靜態分配和動態分配。靜態分配是編譯器完成的，比如局部變量的分配。動態分配由alloca函數進行分配，但是棧的動態分配和堆是不同的，他的動態分配是由編譯器進行釋放，無需我們手工實現。

分配效率：棧分配專門的寄存器存放棧的地址，壓棧出棧都有專門的指令執行；堆是通過調用庫函數

棧：在函數調用時，第一個進棧的是主函數中后的下一條指令（函數調用語句的下一條可執行語句）的地址，然后是函數的各個參數，在大多數的 C 編譯器中，參數是由右往左入棧的，然后是函數中的局部變量。注意靜態變量是不入棧的。
當本次函數調用結束后，局部變量先出棧，然后是參數，最后棧頂指針指向最開始存的地址，也就是主函數中的下一條指令，程序由該點繼續運行。
堆：一般是在堆的頭部用一個字節存放堆的大小。堆中的具體內容有程序員安排。

總之，棧比堆效率高，但沒有堆靈活，優先使用棧，大內存使用堆。

char a[] = "hello"; //字符數組a的容量是6個字符，其內容為hello。a的內容可以改變，如a[0]= ‘X’

char *p = "world";//指針p指向常量字符串“world”（位于靜態存儲區，內容為world），常量字符串的內容是不可以被修改的。

/**
*內核空間
*棧：grow down，大小系統設置~8M,連續空間，編譯器自動分配
*Memory Mapping Seg:堆棧共享，線程棧
*堆：grow up,大小硬件定，不連續空間，程序員malloc
*BSS：Block Started by Symbol,未初始化的全局變量和靜態變量（靜態data區）
*數據段：存放已初始化的全局變量、靜態變量（全局和局部）、const常量數據（常量data區）
*代碼段：存放CPU執行的機器指令，代碼區是可共享，并且是只讀的。這部分區域的大小在程序運行前就已經確定
**/

#include <string>
int a=0;    //數據段:全局初始化變量
char *p1;   //BSS：全局未初始化變量
void main()
{
    int b;//棧
    char s[] = "abc";   //棧
    char *p2;         //棧
    char *p3="123456";   //123456\0在常量區（代碼段??），p3在棧上。
    static int c=0;   //數據段：全局（靜態）初始化區
    *p1 = (char*)malloc(10);  //分配得來的10字節區域在堆上
    *p2 = (char*)malloc(20);  //分配得來的20字節區域在堆上。
    strcpy(p1,"123456");   //123456\0放在常量區，編譯器可能會將它與p3所向"123456\0"優化成一個地方。
}

//const 常量 或右值常量如"123456"放在數據段還是代碼段？？

malloc與free是C++/C語言的標準庫函數，new/delete是C++的運算符。它們都可用于申請動態內存和釋放內存。但是new/delete會調用對象的構造和析構函數。

到此，相信大家對“進程棧、線程棧、內核棧分別是什么”有了更深的了解，不妨來實際操作一番吧！這里是億速云網站，更多相關內容可以進入相關頻道進行查詢，關注我們，繼續學習！