三 task_struct与thread_info及stack三者的关系
来自 https://blog.csdn.net/u014426028/article/details/108037971
在linux内核中进程以及线程（多线程也是通过一组轻量级进程实现的）都是通过task_struct结构体来描述的，我们称它为进程描述符。
而thread_info则是一个与进程描述符相关的小数据结构，它同进程的内核态栈stack存放在一个单独为进程分配的内存区域。由于这个内存区域同时保存了thread_info和stack，所以使用了联合体来定义，相关数据结构如下（基于4.4.87版本内核）：
- thread_union联合体定义：
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union thread_union { struct thread_info thread_info; unsigned long stack[THREAD_SIZE/sizeof(long)]; }; |
- thread_info结构体定义：
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struct thread_info { unsigned long flags; /* low level flags */ mm_segment_t addr_limit; /* address limit */ struct task_struct *task; /* main task structure */ int preempt_count; /* 0 => preemptable, <0 => bug */ int cpu; /* cpu */ }; |
- stack的结构比较复杂，只列出部分成员变量:
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struct task_struct { volatile long state; void *stack; //... #ifdef CONFIG_SMP int on_cpu; int wake_cpu; #endif int on_rq; //... #ifdef CONFIG_SCHED_INFO struct sched_info sched_info; #endif //... pid_t pid; pid_t tgid; //... };
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- 用一副图来表示：
这样设计的好处就是，得到stack，thread_info或task_struct任意一个数据结构的地址，就可以很快得到另外两个数据的地址。
我们可以通过crash工具在ubuntu系统上做个实验，来窥视一下某个进程的进程描述符
如果通过crash分析内核数据结构，可参考：
http://www.cnblogs.com/yanghaizhou/p/7704421.html
这里以进程systemd进程为例，其pid=1
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crash> task 1 PID: 1 TASK: ffff88007c898000 CPU: 1 COMMAND: "systemd" struct task_struct { state = 1, stack = 0xffff88007c894000, usage = { counter = 2 }, 。。。 |
可以看到systemd进程的task_struct结构体指针task=0xffff88007c898000
通过task->stack这个结构体成员即可定位到进程的内核栈地址 stack=0xffff88007c894000
另外从之前的图可以看到，thread_info和stack处于同一地址空间，且thread_info在这段地址空间的最低地址处，而且这个地址空间是以THREAD_SIZE对齐的，所以只要将stack地址的最低N位变为0，即可得到thread_info的地址（2^N=THREAD_SIZE)
例如当THREAD_SZIE=8K时，systemd的thread_info地址就等于0xffff88007c894000&(~(0x1FFF)) = 0xffff88007c89400
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crash> * thread_info 0xffff88007c894000 struct thread_info { task = 0xffff88007c898000, flags = 0, status = 0, cpu = 0, addr_limit = { seg = 140737488351232 }, sig_on_uaccess_error = 0, uaccess_err = 0 } |
而通过thread_info->task这个成员变量，又能访问到进程的task_struct结构体，这样就形成了task_struct, thread_info,stack三者之间的关系网，知道其中任何一个，都可以快速的访问到另外两个，提高了数据存取的效率。
在内核中，可以通过current宏来获得当前执行进程的task_struct指针。现在来简要分析以下：
最原始的定义如下：
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<span style="color:#333333"> #define current get_current()</span> |
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<span style="color:#333333"> #define get_current() (current_thread_info()->task) 可以看出，current调用了 current_thread_info函数，此函数的内核路径为： arch/arm/include/asm/thread_info.h，内核版本为2.6.32.65</span> |
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static inline struct thread_info *current_thread_info(void) { register unsigned long sp asm ("sp"); return (struct thread_info *)(sp & ~(THREAD_SIZE - 1)); } |
其中 thread_info结构体如下：
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<span style="color:#333333"><span style="color:#ff0000">struct thread_info</span> { unsigned long flags; /* low level flags */ int preempt_count; /* 0 => preemptable, <0 => bug */ mm_segment_t addr_limit; /* address limit */ <span style="color:#ff0000">struct task_struct *task; /* main task structure */</span> 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; };</span> |
当内核线程执行到此处时，其SP堆栈指针指向调用进程所对应的内核线程的栈顶。通过 sp & ~(THREAD_SIZE-1)向上对齐，达到栈底部。如下图所示
将结果强制类型转换为thread_info类型，此类型中有一个成员为task_struct，它就是 当前正在运行进程的 task_struct指针。
备注：
在内核中，进程的task_struct是由slab分配器来分配的，slab分配器的优点是对象复用和缓存着色。
联合体：
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#define THREAD_SIZE 8192 //内核线程栈 可以通过内核配置成4K 或者 8K ，此处是8K 。在X86体系结构上，32位的内核栈为8K，64位的为16K。 union thread_union { struct thread_info thread_info; // sizeof(thread_info) = unsigned long stack[THREAD_SIZE/sizeof(long)]; //stack 大小为 8K，union联合体的地址是严格按照小端排布的，因此，内核栈的低位地址是thread_info结构体。 }; |
整个8K的空间，顶部供进程堆栈使用，最下部为thread_info。从用户态切换到内核态时，进程的内核栈还是空的，所以sp寄存器指向栈顶，一旦有数据写入，sp的值就会递减，内核栈按需扩展，理论上最大可扩展到 【8192- sizeof(thread_info) 】大小，考虑到函数的现场保护，往往不会有这么大的栈空间。内核在代表进程执行时和所有的中断服务程序执行时，共享8K的内核栈。
Linux源码解析-内核栈与thread_info结构详解
1.什么是进程的内核栈？
在内核态（比如应用进程执行系统调用）时，进程运行需要自己的堆栈信息（不是原用户空间中的栈），而是使用内核空间中的栈，这个栈就是进程的内核栈
2.进程的内核栈在计算机中是如何描述的？
linux中进程使用task_struct数据结构描述，其中有一个stack指针
- struct task_struct
- {
- // ...
- void *stack; // 指向内核栈的指针
- // ...
- };
task_struct数据结构中的stack成员指向thread_union结构（Linux内核通过thread_union联合体来表示进程的内核栈）
- union thread_union {
- struct thread_info thread_info;
- unsigned long stack[THREAD_SIZE/sizeof(long)];
- };
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:
- struct thread_info {
- struct pcb_struct pcb; /* palcode state */
- struct task_struct *task; /* main task structure */ /*这里很重要，task指针指向的是所创建的进程的struct task_struct
- unsigned int flags; /* low level flags */
- unsigned int ieee_state; /* see fpu.h */
- struct exec_domain *exec_domain; /* execution domain */ /*表了当前进程是属于哪一种规范的可执行程序,
- //不同的系统产生的可执行文件的差异存放在变量exec_domain中
- mm_segment_t addr_limit; /* thread address space */
- unsigned cpu; /* current CPU */
- int preempt_count; /* 0 => preemptable, <0 => BUG */
- int bpt_nsaved;
- unsigned long bpt_addr[2]; /* breakpoint handling */
- unsigned int bpt_insn[2];
- struct restart_block restart_block;
- };
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寄存器指向这个栈的顶端,一旦数据写入堆栈，esp的值就递减
3.thread_info的作用是？
这个结构体保存了进程描述符中中频繁访问和需要快速访问的字段，内核依赖于该数据结构来获得当前进程的描述符(为了获取当前CPU上运行进程的task_struct结构，内核提供了current宏。
- #define get_current() (current_thread_info()->task)
- #define current get_current()
内核还需要存储每个进程的PCB信息, linux内核是支持不同体系的的, 但是不同的体系结构可能进程需要存储的信息不尽相同,
这就需要我们实现一种通用的方式, 我们将体系结构相关的部分和无关的部门进行分离,用一种通用的方式来描述进程, 这就是struct task_struct, 而thread_info
就保存了特定体系结构的汇编代码段需要访问的那部分进程的数据,我们在thread_info中嵌入指向task_struct的指针, 则我们可以很方便的通过thread_info来查找task_struct
3.内核栈的大小？
进程通过alloc_thread_info函数分配它的内核栈，通过free_thread_info函数释放所分配的内核栈，查看源码
alloc_thread_info函数通过调用__get_free_pages函数分配2个页的内存（8192字节）
https://blog.csdn.net/gatieme/article/details/51577479
