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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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