进程内核栈、用户栈

1.进程的堆栈

     内核在创建进程的时候，在创建task_struct的同事，会为进程创建相应的堆栈。每个进程会有两个栈，一个用户栈，存在于用户空间，一个内核栈，存在于内核空间。当进程在用户空间运行时，cpu堆栈指针寄存器里面的内容是用户堆栈地址，使用用户栈；当进程在内核空间时，cpu堆栈指针寄存器里面的内容是内核栈空间地址，使用内核栈。

2.进程用户栈和内核栈的切换

    当进程因为中断或者系统调用而陷入内核态之行时，进程所使用的堆栈也要从用户栈转到内核栈。

    进程陷入内核态后，先把用户态堆栈的地址保存在内核栈之中，然后设置堆栈指针寄存器的内容为内核栈的地址，这样就完成了用户栈向内核栈的转换；当进程从内核态恢复到用户态之行时，在内核态之行的最后将保存在内核栈里面的用户栈的地址恢复到堆栈指针寄存器即可。这样就实现了内核栈和用户栈的互转。

    那么，我们知道从内核转到用户态时用户栈的地址是在陷入内核的时候保存在内核栈里面的，但是在陷入内核的时候，我们是如何知道内核栈的地址的呢？

    关键在进程从用户态转到内核态的时候，进程的内核栈总是空的。这是因为，当进程在用户态运行时，使用的是用户栈，当进程陷入到内核态时，内核栈保存进程在内核态运行的相关信心，但是一旦进程返回到用户态后，内核栈中保存的信息无效，会全部恢复，因此每次进程从用户态陷入内核的时候得到的内核栈都是空的。所以在进程陷入内核的时候，直接把内核栈的栈顶地址给堆栈指针寄存器就可以了。

3.内核栈的实现

        内核栈在kernel-2.4和kernel-2.6里面的实现方式是不一样的。

 在kernel-2.4内核里面，内核栈的实现是：

 Union task_union {

                   Struct task_struct task;

                   Unsigned long stack[INIT_STACK_SIZE/sizeof(long)];

 };

 其中，INIT_STACK_SIZE的大小只能是8K。

     内核为每个进程分配task_struct结构体的时候，实际上分配两个连续的物理页面，底部用作task_struct结构体，结构上面的用作堆栈。使用current()宏能够访问当前正在运行的进程描述符。

 注意：这个时候task_struct结构是在内核栈里面的，内核栈的实际能用大小大概有7K。

 

内核栈在kernel-2.6里面的实现是（kernel-2.6.32）：

 Union thread_union {

                   Struct thread_info thread_info；

                   Unsigned long stack[THREAD_SIZE/sizeof(long)];

 };

 其中THREAD_SIZE的大小可以是4K，也可以是8K，thread_info占52bytes。

     当内核栈为8K时，Thread_info在这块内存的起始地址，内核栈从堆栈末端向下增长。所以此时，kernel-2.6中的current宏是需要更改的。要通过thread_info结构体中的task_struct域来获得于thread_info相关联的task。更详细的参考相应的current宏的实现。

 struct thread_info {

                   struct task_struct *task；

                   struct exec_domain *exec_domain；

                   __u32 flags；

        __u32 status;

                   __u32 cpu;

                   …  ..

 };

 注意：此时的task_struct结构体已经不在内核栈空间里面了。

 在Intel系统中，栈起始于末端，并朝这个内存区开始的方向增长。从用户态刚切换到内核态以后，进程的内核栈总是空的，因此，esp寄存器直接指向这个内存区的顶端。 在图4.2中，从用户态切换到内核态后，esp寄存器包含的地址为0x018fc00。进程描述符存放在从0x015fa00开始的地址。只要把数据写进栈中，esp的值就递减。

 

在／include/linux/sched.h中定义了如下一个联合结构：

  

    union task_union {

       struct task_struct task;

       unsigned long stack[2408];

};

 

    从这个结构可以看出，内核栈占8kb的内存区。实际上，进程的task_struct结构所占的内存是由内核动态分配的，更确切地说，内核根本不给task_struct分配内存，而仅仅给内核栈分配8K的内存，并把其中的一部分给task_struct使用。

 

task_struct结构大约占1K字节左右，其具体数字与内核版本有关，因为不同的版本其域稍有不同。因此，内核栈的大小不能超过7K，否则，内核栈会覆盖task_struct结构，从而导致内核崩溃。不过，7K大小对内核栈已足够。

 

   把task_struct结构与内核栈放在一起具有以下好处：

·      内核可以方便而快速地找到这个结构，用伪代码描述如下：

task_struct = (struct task_struct *) STACK_POINTER & 0xffffe000

·      避免在创建进程时动态分配额外的内存

·      task_struct结构的起始地址总是开始于页大小（PAGE_SIZE）的边界。

 

节省内核栈的方法有:减少局部变量、大型数组和结构体、嵌套调用链。