學(xué)會Linux0.11-系統(tǒng)中堆棧的使用方法

在工作中關(guān)于 Linux系統(tǒng)中的堆棧問題一直是工程師們很頭疼的問題，尤其出現(xiàn)一些新的版本，下面就與大家一起分享以下 Linux0.11 系統(tǒng)中堆棧的使用方法。

一、系統(tǒng)引導(dǎo)初始化臨時使用的堆棧。

二、進(jìn)入保護(hù)模式后提供內(nèi)核程序始化使用的堆棧，該堆棧也是后來任務(wù)0使用的用戶態(tài)堆棧。

三、每個任務(wù)通過系統(tǒng)調(diào)用，執(zhí)行內(nèi)核程序時使用的堆棧，稱之為任務(wù)的內(nèi)核態(tài)堆棧，每個任務(wù)都有自己獨立的內(nèi)核態(tài)堆棧。

四、任務(wù)在用戶態(tài)執(zhí)行的堆棧，位于任務(wù)（進(jìn)程 ）邏輯地址空間近末端處。

使用多個?；蛟诓煌闆r下使用不同棧的主要原因

首先，由于從實模式進(jìn)入保護(hù)模式，使得CPU對內(nèi)存尋址訪問方式發(fā)生了變化，因此需要重新設(shè)置堆棧區(qū)域；其次，為了解決不同CPU特權(quán)級共享使用堆棧帶來的保護(hù)問題，執(zhí)行0級的內(nèi)核代碼和執(zhí)行3級的用戶代碼需要使用不同的棧。當(dāng)一個任務(wù)進(jìn)入內(nèi)核態(tài)運行時，就會使用其TSS段中給出的特權(quán)級0的堆棧指針tss.ss0.tss.esp0，即內(nèi)核棧，原用戶棧指針會保存在內(nèi)核棧中，而當(dāng)從內(nèi)核態(tài)返回用戶態(tài)時，就會恢復(fù)使用用戶態(tài)的堆棧。

以下分別說明。

開機初始化時（bootsect.s,setup.s）

當(dāng)bootsect代碼被ROM BIOS引導(dǎo)加載到物理內(nèi)存0x7c00處時，并沒有設(shè)置堆棧段，程序也沒有使用堆棧，直到bootsect被移動到0x9000:0處時，才把堆棧段寄存器SS設(shè)置為0x9000，堆棧指針esp寄存器設(shè)置為0xff00，所以堆棧堆棧在0x9000:0xff00處（boot/bootsect.s L61,62）setup.s也使用這個堆棧

進(jìn)入保護(hù)模式時候（head.s，L31）

此時堆棧段被設(shè)置為內(nèi)核數(shù)據(jù)段（0x10），堆棧指針esp設(shè)置成指向user_stack數(shù)組（sched.c L67～72）的頂端，保留了1頁內(nèi)存作為堆棧使用。

初始化時（main.c）

在執(zhí)行move_to_user_mode()代碼把控制權(quán)移交給任務(wù)0之前，系統(tǒng)一直使用上述堆棧，而在執(zhí)行過move_to_user_mode()之后，main.c的代碼被“切換”成任務(wù)0中執(zhí)行。通過執(zhí)行fork()系統(tǒng)調(diào)用，main.c中的init()將在任務(wù)1中執(zhí)行，并使用任務(wù)1的堆棧，而main()本身則在被“切換”成為任務(wù)0后，仍熱繼續(xù)使用上述內(nèi)核程序自己的堆棧作為任務(wù)0的用戶態(tài)堆棧。

任務(wù)的堆棧

每個任務(wù)都有兩個堆棧，分別用于用戶態(tài)和內(nèi)核態(tài)程序的執(zhí)行，并且分別稱為用戶態(tài)堆棧和內(nèi)核態(tài)堆棧。

除了處于不同CPU特權(quán)級中，這兩個堆棧之間的主要區(qū)別在于任務(wù)的內(nèi)核態(tài)堆棧很小，所保存的數(shù)據(jù)最多不能超過4096個字節(jié)，而任務(wù)的用戶態(tài)堆棧卻可以在用戶的64MB空間中延伸在用戶態(tài)運行時每個任務(wù)（除了任務(wù)0和任務(wù)1）有自己的64MB地址空間，當(dāng)一個任務(wù)（進(jìn)程）剛被創(chuàng)建時，它的用戶態(tài)堆棧指針被設(shè)置在其地址空間的靠近末端部分，應(yīng)用程序在用戶態(tài)下運行時就一直使用這個堆棧，實際物理地址內(nèi)存則由CPU分頁機制確定。

在內(nèi)核態(tài)運行時

每個任務(wù)有其自己的內(nèi)核態(tài)堆棧，用于任務(wù)在內(nèi)核代碼中執(zhí)行期間。其所在的線性地址中位置由該任務(wù)TSS段中ss0和esp0兩個字段指定，任務(wù)內(nèi)核態(tài)堆棧被設(shè)置在位于其任務(wù)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)所在頁面的末端，即于任務(wù)的任務(wù)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)（task_struct）放在同一頁面中，參見kernel/fork.c L93

p->tss.esp0 = PAGE_SIZE + (long)p;

p->tss.ss0 = 0x10

＊為什么從主存區(qū)申請得來的用于保存任務(wù)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的一頁內(nèi)存也能被設(shè)置成內(nèi)核數(shù)據(jù)段中的數(shù)據(jù)呢？就是說tss.ss0為什么可以是0x10？

用戶內(nèi)核態(tài)仍然屬于內(nèi)核數(shù)據(jù)空間，在head.s中設(shè)置內(nèi)核代碼段和數(shù)據(jù)段的描述符，段長度都設(shè)置成了16MB，這個長度值是Linux0.11內(nèi)核所能支持的最大物理內(nèi)存長度（head.s,110開始的注釋），所以，內(nèi)核代碼可以尋址到整個物理內(nèi)存范圍中的任何位置，當(dāng)然也包括主存區(qū)，每當(dāng)任務(wù)執(zhí)行內(nèi)核程序而需要使用其內(nèi)核棧時，CPU就會利用TSS結(jié)構(gòu)把它的內(nèi)核態(tài)堆棧設(shè)置成由tss.ss0和tss.esp0這兩個值構(gòu)成任務(wù)0（空閑進(jìn)程idle）和任務(wù)1（初始化進(jìn)程init）的堆棧任務(wù)0和任務(wù)1的代碼段和數(shù)據(jù)段相同，限長都是640KB，但它們被映射到不同的線性地址空間，任務(wù)0的段基址從線性地址0開始，而任務(wù)1的段基址從64MB開始，但他們?nèi)坑成涞轿锢淼刂?～640KB范圍中，這個地址也就是內(nèi)核代碼和基本數(shù)據(jù)所存放的地方，在執(zhí)行了move_to_user_mode()后，任務(wù)0和任務(wù)1的內(nèi)核態(tài)堆棧分別位于各自任務(wù)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)所在頁面的末端，而任務(wù)0的用戶態(tài)堆棧就是前面進(jìn)入保護(hù)模式后使用的堆棧，即user_stack[]數(shù)組的位置，由于任務(wù)1在創(chuàng)建時復(fù)制了任務(wù)0的用戶堆棧，所以剛開始時任務(wù)0和任務(wù)1共享使用同一個用戶堆?？臻g，但是當(dāng)任務(wù)1開始運行時，寫時復(fù)制機制會為任務(wù)1另行分配主存區(qū)頁面作為堆?？臻g使用，只有到這個時候，任務(wù)1才開始使用自己獨立的用戶堆棧內(nèi)存頁面，因此任務(wù)0的堆棧需要在任務(wù)1實際開始使用之前保持干凈，即任務(wù)0此時不能使用堆棧，以確保復(fù)制的堆棧頁面中不含任務(wù)0的數(shù)據(jù)。

?