用户栈和内核栈

特此说明: 刘超的趣谈linux操作系统是比较重要的参考资料，本文大部分内容和所有图片来源于这个专栏。

00、说明背景

在程序执行过程中，一旦调用到系统调用，就需要进入内核继续执行。无论是进程还是线程，对应到内核里面，我们统一都叫任务（Task），由一个统一的结构 task_struct 进行管理。
其中，内核栈是和进程运行有关系的。相关的成员变量有

• 用户态函数栈，内核态函数栈栈的组成
• 进程从用户态到内核态的上下文切换
• 内核态中通过stask_struct管理内核栈

01、用户态函数栈

在数据结构中学过的栈模型，是一种高度抽象的设计。函数调用和返回也是按照栈的思想来设计的，在虚拟内存空间中自上而下分配。具体在32系统和64系统的实现方式，略微不同
32位系统

我们先来看 32 位操作系统的情况。在 CPU 里，ESP（Extended Stack Pointer）是栈顶指针寄存器，入栈操作 Push 和出栈操作 Pop 指令，会自动调整 ESP 的值。另外有一个寄存器 EBP（Extended Base Pointer），是栈基地址指针寄存器，指向当前栈帧的最底部。
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例如，A 调用 B，A 的栈里面包含 A 函数的局部变量，然后是调用 B 的时候要传给它的参数，然后返回 A 的地址，这个地址也应该入栈，这就形成了 A 的栈帧。接下来就是 B 的栈帧部分了，先保存的是 A 栈帧的栈底位置，也就是 EBP。因为在 B 函数里面获取 A 传进来的参数，就是通过这个指针获取的，接下来保存的是 B 的局部变量等等。
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当 B 返回的时候，返回值会保存在 EAX 寄存器中，从栈中弹出返回地址，将指令跳转回去，参数也从栈中弹出，然后继续执行 A。

64位系统

64 位操作系统的寄存器数目比较多。rax 用于保存函数调用的返回结果。栈顶指针寄存器变成了 rsp，指向栈顶位置。堆栈的 Pop 和 Push 操作会自动调整 rsp，栈基指针寄存器变成了 rbp，指向当前栈帧的起始位置。
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改变比较多的是参数传递。rdi、rsi、rdx、rcx、r8、r9 这 6 个寄存器，用于传递存储函数调用时的 6 个参数。如果超过 6 的时候，还是需要放到栈里面。
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然而，前 6 个参数有时候需要进行寻址，但是如果在寄存器里面，是没有地址的，因而还是会放到栈里面，只不过放到栈里面的操作是被调用函数做的。

02、内核态函数栈

进程通过函数调用进入内核态，内核中也有函数调用，也有一个内核栈。

在arch/x86/include/asm/page_32_types.h或者arch/x86/include/asm/page_64_types.h定义了内核栈大小THREAD_SIZE。

• thread_info结构是对 task_struct 结构的补充，往往与体系结构有关的，都放在 thread_info 里面。
• 在内核代码里面有这样一个 union，将 thread_info 和 stack 放在一起，在include/linux/sched.h文件中就有。
• pt_regs结构，在系统从用户态切换到内核态的时候，将用户态上下文信息保存到这里。在32系统和64系统中的定义不一样。

参考资料

• 极客时间专栏 - 进程数据结构（下）：项目多了就需要项目管理系统

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