Linux中的棧

copy from http://blog.csdn.net/chenglian_999/article/details/4785720

以前我在看關於Linux原理的內容的時候，總遇到什麼核心棧、使用者棧。今天單獨的看了一下Linux中棧的使用，在這裡作一下總結。

一、linux中的堆棧

      Linux0.11核中總共涉及到了四種棧：系統引導時候的臨時棧；核心初始化使用的棧；核心態棧；使用者態棧。

1）  系統引導時候的臨時棧

在boosetct中，當它把自身移動到0x90000處時候，就會設定臨時棧，以0x90000為段地址，0xff00為位移地址。

Setup中也沿用了這個棧，作為系統引導的臨時棧。

2） 核心初始化使用的棧

在進入保護模式執行head的時候，棧的段地址設定在核心的資料區段地址處（此時ss中儲存的不再是具體的基地址了，而是堆棧段選擇符，當然也是資料區段的選擇符），棧頂指標指向user_stack數組頂端，保留一頁記憶體作為堆棧。

在進入main進行系統初始化的時候，沿用head中設定的棧，但在move_to_user_mode()之後，代碼的執行切換到了任務0，在任務0中用建立了任務1，任務1使用的是自己棧（在任務1的task_struct中的tss中指出）。而任務0仍然使用之前使用的棧作為它的使用者棧。

3）  使用者態棧

當使用者進程在啟動並執行時候，會涉及到程序呼叫等棧操作，此時它用的是使用者棧，使用者棧的基地址是任務的資料區段基地址，棧頂指標在靠近線性地址空間的頂端處（只是靠近頂端，最頂端存放的是命令列參數和環境變數）。它使用的實際物理頁是在“寫時複製”時分配的得到的。

4）  核心態棧

當使用者進程執行核心代碼的時候，例如系統調用，就會使用核心態棧，每個任務都有自己的核心態棧，它的物理位置處在此任務的task_struct所在頁中，具體的基地址和棧頂指標由tss中的ss0和esp0指定。

二、使用者態棧和核心態棧的切換

執行任務切換的時候，毫無疑問會發生棧的切換，它使用的堆棧會發生變化，它的切換是兩個任務的使用者棧間的切換，是通過TSS完成的；而當CPU的特權級發生變化的時候，它使用的堆棧也會發生變化，而這時的切換是同一任務的使用者棧和核心棧的切換。下面我就說一下使用者態棧和核心態棧的切換的大致過程。

在0.11核中所有的中斷都屬於核心代碼，所以如果一個中斷產生時，任務正運行使用者代碼，也就是運行在使用者態，那麼就會引起任務從使用者態（特權級3）向核心態（特權級0）的轉變，此時就會發生從使用者態棧到核心態棧的切換。CPU先從task_struct中的TSS中獲得核心態棧的地址，然後把使用者態棧的段地址、棧頂指標壓入核心態棧，隨後再把eflags、es、ip也壓入堆棧。接著執行中斷處理常式，此時使用的是核心態棧。執行完中斷處理常式返回的時候，iret會返回到使用者模式，恢複使用者棧和eflags。這樣就又使用使用者棧。

注釋：如果處在核心態，中斷的時候，cpu並不進行ss、esp的棧操作。

三、任務0中的棧切換

    在核心初時話過程中，會將代碼的執行交給任務0（move_to_user_mode），任務0的核心棧在它自己的任務資料結構所在頁面的末端，而任務0的使用者棧是之前CPU進入保護模式時候用的棧，即usr_stack[]，把它設定為任務0的使用者棧是利用手工設定的：當執行iret的時候，如果發生了特權級的變化，iret還要把棧中的棧基址和棧頂指標也同時恢複，那麼在move_to_user_mode()中，LINUX手工地把任務0的使用者棧的基址和棧頂指標壓入堆棧，同時把任務0的eflag、cs、ip壓入堆棧，注意此時壓入的SS，CS雖然也指向模式轉換之前的段，但是它門包括了特權級的資訊，所以當cs出棧的時候，發現它的特權級（3）與現在的（0）不同，而且低於現在的，所以就會還會再把新棧的SS和esp出來。這樣代碼的執行就交給了處在使用者模式下的任務0，在任務0中再建立任務1．．．．．．．

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以前我在看關於Linux原理的內容的時候，總遇到什麼核心棧、使用者棧。今天單獨的看了一下Linux中棧的使用，在這裡作一下總結。

一、linux中的堆棧

      Linux0.11核中總共涉及到了四種棧：系統引導時候的臨時棧；核心初始化使用的棧；核心態棧；使用者態棧。

1）  系統引導時候的臨時棧

在boosetct中，當它把自身移動到0x90000處時候，就會設定臨時棧，以0x90000為段地址，0xff00為位移地址。

Setup中也沿用了這個棧，作為系統引導的臨時棧。

2） 核心初始化使用的棧

在進入保護模式執行head的時候，棧的段地址設定在核心的資料區段地址處（此時ss中儲存的不再是具體的基地址了，而是堆棧段選擇符，當然也是資料區段的選擇符），棧頂指標指向user_stack數組頂端，保留一頁記憶體作為堆棧。

在進入main進行系統初始化的時候，沿用head中設定的棧，但在move_to_user_mode()之後，代碼的執行切換到了任務0，在任務0中用建立了任務1，任務1使用的是自己棧（在任務1的task_struct中的tss中指出）。而任務0仍然使用之前使用的棧作為它的使用者棧。

3）  使用者態棧

當使用者進程在啟動並執行時候，會涉及到程序呼叫等棧操作，此時它用的是使用者棧，使用者棧的基地址是任務的資料區段基地址，棧頂指標在靠近線性地址空間的頂端處（只是靠近頂端，最頂端存放的是命令列參數和環境變數）。它使用的實際物理頁是在“寫時複製”時分配的得到的。

4）  核心態棧

當使用者進程執行核心代碼的時候，例如系統調用，就會使用核心態棧，每個任務都有自己的核心態棧，它的物理位置處在此任務的task_struct所在頁中，具體的基地址和棧頂指標由tss中的ss0和esp0指定。

二、使用者態棧和核心態棧的切換

執行任務切換的時候，毫無疑問會發生棧的切換，它使用的堆棧會發生變化，它的切換是兩個任務的使用者棧間的切換，是通過TSS完成的；而當CPU的特權級發生變化的時候，它使用的堆棧也會發生變化，而這時的切換是同一任務的使用者棧和核心棧的切換。下面我就說一下使用者態棧和核心態棧的切換的大致過程。

在0.11核中所有的中斷都屬於核心代碼，所以如果一個中斷產生時，任務正運行使用者代碼，也就是運行在使用者態，那麼就會引起任務從使用者態（特權級3）向核心態（特權級0）的轉變，此時就會發生從使用者態棧到核心態棧的切換。CPU先從task_struct中的TSS中獲得核心態棧的地址，然後把使用者態棧的段地址、棧頂指標壓入核心態棧，隨後再把eflags、es、ip也壓入堆棧。接著執行中斷處理常式，此時使用的是核心態棧。執行完中斷處理常式返回的時候，iret會返回到使用者模式，恢複使用者棧和eflags。這樣就又使用使用者棧。

注釋：如果處在核心態，中斷的時候，cpu並不進行ss、esp的棧操作。

三、任務0中的棧切換

    在核心初時話過程中，會將代碼的執行交給任務0（move_to_user_mode），任務0的核心棧在它自己的任務資料結構所在頁面的末端，而任務0的使用者棧是之前CPU進入保護模式時候用的棧，即usr_stack[]，把它設定為任務0的使用者棧是利用手工設定的：當執行iret的時候，如果發生了特權級的變化，iret還要把棧中的棧基址和棧頂指標也同時恢複，那麼在move_to_user_mode()中，LINUX手工地把任務0的使用者棧的基址和棧頂指標壓入堆棧，同時把任務0的eflag、cs、ip壓入堆棧，注意此時壓入的SS，CS雖然也指向模式轉換之前的段，但是它門包括了特權級的資訊，所以當cs出棧的時候，發現它的特權級（3）與現在的（0）不同，而且低於現在的，所以就會還會再把新棧的SS和esp出來。這樣代碼的執行就交給了處在使用者模式下的任務0，在任務0中再建立任務1．．．．．．．