对Linux的进程内核栈的认识

    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

更多关于内核栈的资料请参考：

1. Linux内核栈溢出（stack overflow）问题
2. Linux内核2.6和2.4中内核堆栈的比较
4. 内核栈的大小
5. 专题研究一  进程的深入理解与分析(必看)