浅谈linux内核栈（基于3.16-rc4）

浏览数：18 / 时间：2015年06月20日

在3.16-rc4内核源码中，内核给每个进程分配的内核栈大小为8KB。这个内核栈被称为异常栈，在进程的内核空间运行时或者执行异常处理程序时，使用的都是异常栈，看下异常栈的代码（include/linux/sched.h）：

1 union thread_union {
2     struct thread_info thread_info;
3     unsigned long stack[THREAD_SIZE/sizeof(long)];
4 };

THREAD_SIZE值为8KB，因此内核为进程的异常栈（内核栈）分配了两个页框大小（页框大小4KB）。另外，进程的thread_info结构体保存在栈顶部。

此外，内核为每个cpu分配一个硬中断栈和一个软中断栈（这两个栈也是内核栈），用来执行中断服务例程和下半部（软中断），看看代码（arch/x86/kernel/irq_32.c）。这两个栈属于cpu，不属于进程，这和异常栈是有区别的。

1 DEFINE_PER_CPU(struct irq_stack *, hardirq_stack);
2 DEFINE_PER_CPU(struct irq_stack *, softirq_stack);

定义了两个数组hardirq_stack和softirq_stack，每个数组元素对应一个cpu，指向了该cpu的硬中断栈或者软中断栈。再来看下struct irq_stack结构体（arch/x86/include/asm/processor.h）：

1 struct irq_stack {
2     u32                     stack[THREAD_SIZE/sizeof(u32)];
3 } __aligned(THREAD_SIZE);

可见，硬中断栈和软中断栈的大小均为8KB。

内核在执行中断处理程序时，在do_IRQ函数中会调用handle_irq函数，在handle_irq函数中要进行堆栈切换，代码如下（arch/x86/kernel/irq_32.c）：

 1 bool handle_irq(unsigned irq, struct pt_regs *regs)
 2 {
 3     struct irq_desc *desc;
 4     int overflow;
 5 
 6     overflow = check_stack_overflow();
 7 
 8     desc = irq_to_desc(irq);
 9     if (unlikely(!desc))
10         return false;
11 
12     if (user_mode_vm(regs) || !execute_on_irq_stack(overflow, desc, irq)) {
13         if (unlikely(overflow))
14             print_stack_overflow();
15         desc->handle_irq(irq, desc);
16     }
17 
18     return true;
19 }

第12行中执行execute_on_irq_stack函数来判断是否需要堆栈切换，如果不需要，则执行if体，即在当前堆栈中执行中断服务例程，如果需要切换堆栈，则不执行if体。下面看下execute_on_irq_stack代码（arch/x86/kernel/irq_32.c）：

 1 static inline int
 2 execute_on_irq_stack(int overflow, struct irq_desc *desc, int irq)
 3 {
 4     struct irq_stack *curstk, *irqstk;
 5     u32 *isp, *prev_esp, arg1, arg2;
 6 
 7     curstk = (struct irq_stack *) current_stack();
 8     irqstk = __this_cpu_read(hardirq_stack);
 9 
10     /*
11      * this is where we switch to the IRQ stack. However, if we are
12      * already using the IRQ stack (because we interrupted a hardirq
13      * handler) we can‘t do that and just have to keep using the
14      * current stack (which is the irq stack already after all)
15      */
16     if (unlikely(curstk == irqstk))
17         return 0;
18 
19     isp = (u32 *) ((char *)irqstk + sizeof(*irqstk));
20 
21     /* Save the next esp at the bottom of the stack */
22     prev_esp = (u32 *)irqstk;
23     *prev_esp = current_stack_pointer;
24 
25     if (unlikely(overflow))
26         call_on_stack(print_stack_overflow, isp);
27 
28     asm volatile("xchgl    %%ebx,%%esp    \n"
29              "call    *%%edi        \n"
30              "movl    %%ebx,%%esp    \n"
31              : "=a" (arg1), "=d" (arg2), "=b" (isp)
32              :  "0" (irq),   "1" (desc),  "2" (isp),
33             "D" (desc->handle_irq)
34              : "memory", "cc", "ecx");
35     return 1;
36 }

第7行获取当前堆栈的指针，第8行获取本地cpu的硬中断栈指针，第16行对二者进行比较，如果相等，则不需要切换堆栈（说明当前堆栈就是硬中断栈，也说明是在中断处理程序中时又发生了中断）。如果不相等，就要进行堆栈切换，第22-23行将当前堆栈指针保存在将要切换到的堆栈中（用于返回）。第28-34行，在内联汇编中进行堆栈切换并执行相应的中断服务例程，第33行将中断服务例程函数名存放在%edi中，第29行跳转到中断服务例程中。

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