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Linux內核中用戶空間棧和內核棧的區別

1.進程的堆棧

    內核在創建進程的時候,在創建task_struct的同事,會為進程創建相應的堆棧。每個進程會有兩個棧,一個用戶棧,存在於用戶空間,一個內核棧,存在於內核空間。當進程在用戶空間運行時,cpu堆棧指針寄存器裡面的內容是用戶堆棧地址,使用用戶棧;當進程在內核空間時,cpu堆棧指針寄存器裡面的內容是內核棧空間地址,使用內核棧。

2.進程用戶棧和內核棧的切換

    當進程因為中斷或者系統調用而陷入內核態之行時,進程所使用的堆棧也要從用戶棧轉到內核棧。

    進程陷入內核態後,先把用戶態堆棧的地址保存在內核棧之中,然後設置堆棧指針寄存器的內容為內核棧的地址,這樣就完成了用戶棧向內核棧的轉換;當進程從內核態恢復到用戶態之行時,在內核態之行的最後將保存在內核棧裡面的用戶棧的地址恢復到堆棧指針寄存器即可。這樣就實現了內核棧和用戶棧的互轉。

    那麼,我們知道從內核轉到用戶態時用戶棧的地址是在陷入內核的時候保存在內核棧裡面的,但是在陷入內核的時候,我們是如何知道內核棧的地址的呢?

    關鍵在進程從用戶態轉到內核態的時候,進程的內核棧總是空的。這是因為,當進程在用戶態運行時,使用的是用戶棧,當進程陷入到內核態時,內核棧保存進程在內核態運行的相關信心,但是一旦進程返回到用戶態後,內核棧中保存的信息無效,會全部恢復,因此每次進程從用戶態陷入內核的時候得到的內核棧都是空的。所以在進程陷入內核的時候,直接把內核棧的棧頂地址給堆棧指針寄存器就可以了。

3.內核棧的實現

        內核棧在kernel-2.4和kernel-2.6裡面的實現方式是不一樣的。

 在kernel-2.4內核裡面,內核棧的實現是:

 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。

    內核為每個進程分配task_struct結構體的時候,實際上分配兩個連續的物理頁面,底部用作task_struct結構體,結構上面的用作堆棧。使用current()宏能夠訪問當前正在運行的進程描述符。

 注意:這個時候task_struct結構是在內核棧裡面的,內核棧的實際能用大小大概有7K。

 

內核棧在kernel-2.6裡面的實現是(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。

    當內核棧為8K時,Thread_info在這塊內存的起始地址,內核棧從堆棧末端向下增長。所以此時,kernel-2.6中的current宏是需要更改的。要通過thread_info結構體中的task_struct域來獲得於thread_info相關聯的task。更詳細的參考相應的current宏的實現。

 struct thread_info {

                  struct task_struct *task;

                  struct exec_domain *exec_domain;

                  __u32 flags;

        __u32 status;

                  __u32 cpu;

                  …  ..

 };

 注意:此時的task_struct結構體已經不在內核棧空間裡面了。

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