Linux 中的各種棧：進(jìn)程棧 線程棧 內(nèi)核棧 中斷棧

棧是什么？棧有什么作用？

首先，棧 (stack) 是一種串列形式的 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。這種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是 后入先出 (LIFO, Last In First Out)，數(shù)據(jù)只能在串列的一端 (稱為：棧頂 top) 進(jìn)行 推入 (push) 和 彈出 (pop) 操作。根據(jù)棧的特點(diǎn)，很容易的想到可以利用數(shù)組，來(lái)實(shí)現(xiàn)這種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。但是本文要討論的并不是軟件層面的棧，而是硬件層面的棧。

大多數(shù)的處理器架構(gòu)，都有實(shí)現(xiàn)硬件棧。有專門的棧指針寄存器，以及特定的硬件指令來(lái)完成 入棧/出棧 的操作。例如在 ARM 架構(gòu)上，R13 (SP) 指針是堆棧指針寄存器，而 PUSH 是用于壓棧的匯編指令，POP 則是出棧的匯編指令。

【擴(kuò)展閱讀】ARM 寄存器簡(jiǎn)介

ARM 處理器擁有 37 個(gè)寄存器。這些寄存器按部分重疊組方式加以排列。每個(gè)處理器模式都有一個(gè)不同的寄存器組。編組的寄存器為處理處理器異常和特權(quán)操作提供了快速的上下文切換。

提供了下列寄存器：

• 三十個(gè) 32 位通用寄存器：
• 存在十五個(gè)通用寄存器，它們分別是 r0-r12、sp、lr
• sp (r13) 是堆棧指針。C/C 編譯器始終將 sp 用作堆棧指針
• lr (r14) 用于存儲(chǔ)調(diào)用子例程時(shí)的返回地址。如果返回地址存儲(chǔ)在堆棧上，則可將 lr 用作通用寄存器
• 程序計(jì)數(shù)器 (pc)：指令寄存器
• 應(yīng)用程序狀態(tài)寄存器 (APSR)：存放算術(shù)邏輯單元 (ALU) 狀態(tài)標(biāo)記的副本
• 當(dāng)前程序狀態(tài)寄存器 (CPSR)：存放 APSR 標(biāo)記，當(dāng)前處理器模式，中斷禁用標(biāo)記等
• 保存的程序狀態(tài)寄存器 (SPSR)：當(dāng)發(fā)生異常時(shí)，使用 SPSR 來(lái)存儲(chǔ) CPSR

上面是棧的原理和實(shí)現(xiàn)，下面我們來(lái)看看棧有什么作用。棧作用可以從兩個(gè)方面體現(xiàn)：函數(shù)調(diào)用 和 多任務(wù)支持 。

一、函數(shù)調(diào)用

我們知道一個(gè)函數(shù)調(diào)用有以下三個(gè)基本過程：

• 調(diào)用參數(shù)的傳入
• 局部變量的空間管理
• 函數(shù)返回

函數(shù)的調(diào)用必須是高效的，而數(shù)據(jù)存放在 CPU通用寄存器 或者 RAM 內(nèi)存 中無(wú)疑是最好的選擇。以傳遞調(diào)用參數(shù)為例，我們可以選擇使用 CPU通用寄存器 來(lái)存放參數(shù)。但是通用寄存器的數(shù)目都是有限的，當(dāng)出現(xiàn)函數(shù)嵌套調(diào)用時(shí)，子函數(shù)再次使用原有的通用寄存器必然會(huì)導(dǎo)致沖突。因此如果想用它來(lái)傳遞參數(shù)，那在調(diào)用子函數(shù)前，就必須先 保存原有寄存器的值，然后當(dāng)子函數(shù)退出的時(shí)候再 恢復(fù)原有寄存器的值 。

函數(shù)的調(diào)用參數(shù)數(shù)目一般都相對(duì)少，因此通用寄存器是可以滿足一定需求的。但是局部變量的數(shù)目和占用空間都是比較大的，再依賴有限的通用寄存器未免強(qiáng)人所難，因此我們可以采用某些 RAM 內(nèi)存區(qū)域來(lái)存儲(chǔ)局部變量。但是存儲(chǔ)在哪里合適？既不能讓函數(shù)嵌套調(diào)用的時(shí)候有沖突，又要注重效率。

這種情況下，棧無(wú)疑提供很好的解決辦法。一、對(duì)于通用寄存器傳參的沖突，我們可以再調(diào)用子函數(shù)前，將通用寄存器臨時(shí)壓入棧中；在子函數(shù)調(diào)用完畢后，在將已保存的寄存器再?gòu)棾龌謴?fù)回來(lái)。二、而局部變量的空間申請(qǐng)，也只需要向下移動(dòng)下棧頂指針；將棧頂指針向回移動(dòng)，即可就可完成局部變量的空間釋放；三、對(duì)于函數(shù)的返回，也只需要在調(diào)用子函數(shù)前，將返回地址壓入棧中，待子函數(shù)調(diào)用結(jié)束后，將函數(shù)返回地址彈出給 PC 指針，即完成了函數(shù)調(diào)用的返回；

于是上述函數(shù)調(diào)用的三個(gè)基本過程，就演變記錄一個(gè)棧指針的過程。每次函數(shù)調(diào)用的時(shí)候，都配套一個(gè)棧指針。即使循環(huán)嵌套調(diào)用函數(shù)，只要對(duì)應(yīng)函數(shù)棧指針是不同的，也不會(huì)出現(xiàn)沖突。

【擴(kuò)展閱讀】：函數(shù)棧幀 (Stack Frame)

函數(shù)調(diào)用經(jīng)常是嵌套的，在同一時(shí)刻，棧中會(huì)有多個(gè)函數(shù)的信息。每個(gè)未完成運(yùn)行的函數(shù)占用一個(gè)獨(dú)立的連續(xù)區(qū)域，稱作棧幀(Stack Frame)。棧幀存放著函數(shù)參數(shù)，局部變量及恢復(fù)前一棧幀所需要的數(shù)據(jù)等，函數(shù)調(diào)用時(shí)入棧的順序?yàn)椋?/p>實(shí)參N~1 → 主調(diào)函數(shù)返回地址 → 主調(diào)函數(shù)幀基指針EBP → 被調(diào)函數(shù)局部變量1~N

棧幀的邊界由 棧幀基地址指針 EBP 和 棧指針 ESP 界定，EBP 指向當(dāng)前棧幀底部(高地址)，在當(dāng)前棧幀內(nèi)位置固定；ESP指向當(dāng)前棧幀頂部(低地址)，當(dāng)程序執(zhí)行時(shí)ESP會(huì)隨著數(shù)據(jù)的入棧和出棧而移動(dòng)。因此函數(shù)中對(duì)大部分?jǐn)?shù)據(jù)的訪問都基于EBP進(jìn)行。函數(shù)調(diào)用棧的典型內(nèi)存布局如下圖所示：

二、多任務(wù)支持

然而棧的意義還不只是函數(shù)調(diào)用，有了它的存在，才能構(gòu)建出操作系統(tǒng)的多任務(wù)模式。我們以 main 函數(shù)調(diào)用為例，main 函數(shù)包含一個(gè)無(wú)限循環(huán)體，循環(huán)體中先調(diào)用 A 函數(shù)，再調(diào)用 B 函數(shù)。

func?B():
??return;

func?A():
??B();

func?main():
??while?(1)
????A();
試想在單處理器情況下，程序?qū)⒂肋h(yuǎn)停留在此 main 函數(shù)中。即使有另外一個(gè)任務(wù)在等待狀態(tài)，程序是沒法從此 main 函數(shù)里面跳轉(zhuǎn)到另一個(gè)任務(wù)。因?yàn)槿绻呛瘮?shù)調(diào)用關(guān)系，本質(zhì)上還是屬于 main 函數(shù)的任務(wù)中，不能算多任務(wù)切換。此刻的 main 函數(shù)任務(wù)本身其實(shí)和它的棧綁定在了一起，無(wú)論如何嵌套調(diào)用函數(shù)，棧指針都在本棧范圍內(nèi)移動(dòng)。

由此可以看出一個(gè)任務(wù)可以利用以下信息來(lái)表征：

1. main 函數(shù)體代碼
2. main 函數(shù)棧指針
3. 當(dāng)前 CPU 寄存器信息

假如我們可以保存以上信息，則完全可以強(qiáng)制讓出 CPU 去處理其他任務(wù)。只要將來(lái)想繼續(xù)執(zhí)行此 main 任務(wù)的時(shí)候，把上面的信息恢復(fù)回去即可。有了這樣的先決條件，多任務(wù)就有了存在的基礎(chǔ)，也可以看出棧存在的另一個(gè)意義。在多任務(wù)模式下，當(dāng)調(diào)度程序認(rèn)為有必要進(jìn)行任務(wù)切換的話，只需保存任務(wù)的信息（即上面說(shuō)的三個(gè)內(nèi)容）?；謴?fù)另一個(gè)任務(wù)的狀態(tài)，然后跳轉(zhuǎn)到上次運(yùn)行的位置，就可以恢復(fù)運(yùn)行了。

可見每個(gè)任務(wù)都有自己的?？臻g，正是有了獨(dú)立的?？臻g，為了代碼重用，不同的任務(wù)甚至可以混用任務(wù)的函數(shù)體本身，例如可以一個(gè)main函數(shù)有兩個(gè)任務(wù)實(shí)例。至此之后的操作系統(tǒng)的框架也形成了，譬如任務(wù)在調(diào)用 sleep() 等待的時(shí)候，可以主動(dòng)讓出 CPU 給別的任務(wù)使用，或者分時(shí)操作系統(tǒng)任務(wù)在時(shí)間片用完是也會(huì)被迫的讓出 CPU。不論是哪種方法，只要想辦法切換任務(wù)的上下文空間，切換棧即可。

【擴(kuò)展閱讀】：任務(wù)、線程、進(jìn)程 三者關(guān)系

任務(wù)是一個(gè)抽象的概念，即指軟件完成的一個(gè)活動(dòng)；而線程則是完成任務(wù)所需的動(dòng)作；進(jìn)程則指的是完成此動(dòng)作所需資源的統(tǒng)稱；關(guān)于三者的關(guān)系，有一個(gè)形象的比喻：

• 任務(wù) = 送貨
• 線程 = 開送貨車
• 系統(tǒng)調(diào)度 = 決定合適開哪部送貨車
• 進(jìn)程 = 道路 加油站 送貨車 修車廠

Linux 中有幾種棧？各種棧的內(nèi)存位置？

介紹完棧的工作原理和用途作用后，我們回歸到 Linux 內(nèi)核上來(lái)。內(nèi)核將棧分成四種：

• 進(jìn)程棧
• 線程棧
• 內(nèi)核棧
• 中斷棧

一、進(jìn)程棧

進(jìn)程棧是屬于用戶態(tài)棧，和進(jìn)程 虛擬地址空間 (Virtual Address Space) 密切相關(guān)。那我們先了解下什么是虛擬地址空間：在 32 位機(jī)器下，虛擬地址空間大小為 4G。這些虛擬地址通過頁(yè)表 (Page Table) 映射到物理內(nèi)存，頁(yè)表由操作系統(tǒng)維護(hù)，并被處理器的內(nèi)存管理單元 (MMU) 硬件引用。每個(gè)進(jìn)程都擁有一套屬于它自己的頁(yè)表，因此對(duì)于每個(gè)進(jìn)程而言都好像獨(dú)享了整個(gè)虛擬地址空間。

Linux 內(nèi)核將這 4G 字節(jié)的空間分為兩部分，將最高的 1G 字節(jié)（0xC0000000-0xFFFFFFFF）供內(nèi)核使用，稱為 內(nèi)核空間。而將較低的3G字節(jié)（0x00000000-0xBFFFFFFF）供各個(gè)進(jìn)程使用，稱為 用戶空間。每個(gè)進(jìn)程可以通過系統(tǒng)調(diào)用陷入內(nèi)核態(tài)，因此內(nèi)核空間是由所有進(jìn)程共享的。雖然說(shuō)內(nèi)核和用戶態(tài)進(jìn)程占用了這么大地址空間，但是并不意味它們使用了這么多物理內(nèi)存，僅表示它可以支配這么大的地址空間。它們是根據(jù)需要，將物理內(nèi)存映射到虛擬地址空間中使用。

Linux 對(duì)進(jìn)程地址空間有個(gè)標(biāo)準(zhǔn)布局，地址空間中由各個(gè)不同的內(nèi)存段組成 (Memory Segment)，主要的內(nèi)存段如下：

• 程序段 (Text Segment)：可執(zhí)行文件代碼的內(nèi)存映射
• 數(shù)據(jù)段 (Data Segment)：可執(zhí)行文件的已初始化全局變量的內(nèi)存映射
• BSS段 (BSS Segment)：未初始化的全局變量或者靜態(tài)變量（用零頁(yè)初始化）
• 堆區(qū) (Heap) : 存儲(chǔ)動(dòng)態(tài)內(nèi)存分配，匿名的內(nèi)存映射
• 棧區(qū) (Stack) : 進(jìn)程用戶空間棧，由編譯器自動(dòng)分配釋放，存放函數(shù)的參數(shù)值、局部變量的值等
• 映射段(Memory Mapping Segment)：任何內(nèi)存映射文件

而上面進(jìn)程虛擬地址空間中的棧區(qū)，正指的是我們所說(shuō)的進(jìn)程棧。進(jìn)程棧的初始化大小是由編譯器和鏈接器計(jì)算出來(lái)的，但是棧的實(shí)時(shí)大小并不是固定的，Linux 內(nèi)核會(huì)根據(jù)入棧情況對(duì)棧區(qū)進(jìn)行動(dòng)態(tài)增長(zhǎng)（其實(shí)也就是添加新的頁(yè)表）。但是并不是說(shuō)棧區(qū)可以無(wú)限增長(zhǎng)，它也有最大限制 RLIMIT_STACK (一般為 8M)，我們可以通過 ulimit 來(lái)查看或更改 RLIMIT_STACK 的值。

【擴(kuò)展閱讀】：如何確認(rèn)進(jìn)程棧的大小

我們要知道棧的大小，那必須得知道棧的起始地址和結(jié)束地址。棧起始地址 獲取很簡(jiǎn)單，只需要嵌入?yún)R編指令獲取棧指針 esp 地址即可。棧結(jié)束地址 的獲取有點(diǎn)麻煩，我們需要先利用遞歸函數(shù)把棧搞溢出了，然后再 GDB 中把棧溢出的時(shí)候把棧指針 esp 打印出來(lái)即可。代碼如下：

/*?file?name:?stacksize.c?*/

void?*orig_stack_pointer;

void?blow_stack()?{
????blow_stack();
}

int?main()?{
????__asm__("movl?%esp,?orig_stack_pointer");

????blow_stack();
????return?0;
}
$ g -g stacksize.c -o ./stacksize
$ gdb ./stacksize
(gdb) r
Starting program: /home/home/misc-code/setrlimit

Program received signal SIGSEGV, Segmentation fault.
blow_stack () at setrlimit.c:4
4 blow_stack();
(gdb) print (void *)$esp
$1 = (void *) 0xffffffffff7ff000
(gdb) print (void *)orig_stack_pointer
$2 = (void *) 0xffffc800
(gdb) print 0xffffc800-0xff7ff000
$3 = 8378368 // Current Process Stack Size is 8M
上面對(duì)進(jìn)程的地址空間有個(gè)比較全局的介紹，那我們看下 Linux 內(nèi)核中是怎么體現(xiàn)上面內(nèi)存布局的。內(nèi)核使用內(nèi)存描述符來(lái)表示進(jìn)程的地址空間，該描述符表示著進(jìn)程所有地址空間的信息。內(nèi)存描述符由 mm_struct 結(jié)構(gòu)體表示，下面給出內(nèi)存描述符結(jié)構(gòu)中各個(gè)域的描述，請(qǐng)大家結(jié)合前面的 進(jìn)程內(nèi)存段布局 圖一起看：

struct?mm_struct?{
????struct?vm_area_struct?*mmap;???????????/*?內(nèi)存區(qū)域鏈表?*/
????struct?rb_root?mm_rb;??????????????????/*?VMA?形成的紅黑樹?*/
????...
????struct?list_head?mmlist;???????????????/*?所有?mm_struct?形成的鏈表?*/
????...
????unsigned?long?total_vm;????????????????/*?全部頁(yè)面數(shù)目?*/
????unsigned?long?locked_vm;???????????????/*?上鎖的頁(yè)面數(shù)據(jù)?*/
????unsigned?long?pinned_vm;???????????????/*?Refcount?permanently?increased?*/
????unsigned?long?shared_vm;???????????????/*?共享頁(yè)面數(shù)目?Shared?pages?(files)?*/
????unsigned?long?exec_vm;?????????????????/*?可執(zhí)行頁(yè)面數(shù)目?VM_EXEC?