Question

内核堆栈和用户堆栈之间有什么区别？为什么要使用内核堆栈？如果在ISR中声明了局部变量，那么它将被存储在哪里？每个进程都有自己的内核堆栈吗？那么这个过程如何在这两个堆栈之间进行协调？

Answer 1

内核堆栈和用户堆栈有什么区别？

简而言之，没有 - 除了在内存中使用不同的位置（因此堆栈指针寄存器的值不同），以及通常不同的内存访问保护。即在用户模式下执行时，内核内存（其中一部分是内核堆栈）即使映射也无法访问。反之亦然，没有明确地被内核代码请求（在Linux中，通过像copy_from_user()这样的函数），用户内存（包括用户堆栈）通常不能直接访问。

为什么使用[单独的]内核堆栈？

分离权限和安全性。例如，用户空间程序可以使它们的堆栈（指针）成为他们想要的任何东西，并且通常没有架构要求甚至没有架构要求。因此，内核不能信任用户空间栈指针有效也不可用，因此需要一组在其自己的控制之下。不同的CPU架构以不同的方式实现这一点;当特权模式切换发生时，x86 CPU会自动切换堆栈指针，并且可以配置用于不同权限级别的值 - 通过特权代码（即只有内核）。

如果在ISR中声明了局部变量，它将存储在哪里？

在内核堆栈上。内核（Linux内核，即）不将ISR直接挂钩到x86架构的中断门，而是将中断调度委托给公共内核中断入口/出口机制，在调用注册的处理程序之前保存预中断寄存器状态。调度中断时CPU本身可能会执行权限和/或堆栈切换，这由内核使用/设置，以便公共中断条目代码可以依赖于存在的内核堆栈。
也就是说，执行内核代码时发生的中断将在那时简单地（继续）使用内核堆栈。如果中断处理程序具有深度嵌套的调用路径，则会导致堆栈溢出（如果深度内核调用路径中断且处理程序导致另一个深度路径;在Linux中，文件系统/软件RAID代码被iptables活动的网络代码中断）已知在未经验证的旧内核中触发此类内容...解决方案是增加此类工作负载的内核堆栈大小。）

每个进程都有自己的内核堆栈吗？

不仅每个进程 - 每个线程都有自己的内核堆栈（事实上，它也是自己的用户堆栈）。请记住，进程和线程（对Linux）之间的唯一区别是多个线程可以共享一个地址空间（形成一个进程）。

这两个堆栈之间的流程如何协调？

完全没有 - 它不需要。调度（如何/何时运行不同的线程，如何保存和恢复其状态）是操作系统的任务和过程不需要关心它。在创建线程（并且每个进程必须至少有一个线程）时，内核为它们创建内核堆栈，而用户空间堆栈由用于创建线程的任何机制显式创建/提供（像makecontext()这样的函数或pthread_create()允许调用者指定一个用于“子”线程堆栈的内存区域，或者继承（通过访问时内存克隆，通常称为“写入时复制”/ COW，创建新的时）过程）。
也就是说，进程可以影响其线程的调度和/或影响上下文（状态，其中就是线程的堆栈指针）。有多种方法可以解决这个问题：UNIX信号，setcontext()，pthread_yield() / pthread_cancel()，...... - 但这与原始问题有点不同。

Answer 2

我的回答是从我的其他SO问题中收集的。

What's the difference between kernel stack and user stack?

作为内核程序员，您知道应该将内核限制在错误的用户程序之外。假设你为内核和内核保持相同的堆栈。用户空间，然后用户应用程序中的简单段错误会导致内核崩溃并需要重新启动。

每个CPU有一个“内核堆栈”，如ISR堆栈，每个进程有一个“内核堆栈”。每个进程都有一个“用户堆栈”，尽管每个线程都有自己的堆栈，包括用户和内核线程。

http://linux.derkeiler.com/Mailing-Lists/Kernel/2004-10/3194.html

Why kernel stack is used?

因此，当我们处于内核模式时，堆栈类型的机制是处理函数调用，类似于用户空间的局部变量所必需的。

http://www.kernel.org/doc/Documentation/x86/kernel-stacks

If a local variable is declared in an ISR, where it will be stored?

它将存储在ISR堆栈（IRQSTACKSIZE）中。仅当硬件支持时，ISR才在单独的中断堆栈上运行。否则，ISR堆栈帧被推入中断线程的堆栈。

用户空间不知道，并且坦率地不关心中断是在当前进程的内核堆栈还是单独的ISR堆栈中提供。由于每个CPU都有中断，因此ISR堆栈必须是每个CPU。

 Does each process has its own kernel stack ?

是。每个进程都有自己的内核堆栈。

 Then how the process coordinates between both these stacks?

@ FrankH的答案看起来很棒。

Answer 3

内核堆栈和用户堆栈有什么区别

参考Robert Love的Linux Kernel Development，主要区别在于大小：

用户空间可以在堆栈上静态分配许多变量，包括   巨大的结构和上千个元素的数组。
  此行为是合法的，因为用户空间具有   可以动态增长的大堆栈。
  内核堆栈既不大也不动态。它很小而且尺寸固定。
  内核堆栈的确切大小因架构而异。
   在x86上，堆栈大小可在以下位置配置   编译时，可以为4KB或8KB。
  从历史上看，内核堆栈是两个页面，   这通常意味着在32位体系结构上为8KB，在64位体系结构上为16KB。   大小是固定且绝对的。
  每个进程都有自己的堆栈。

此外，内核堆栈还包含指向thread_info结构的指针，该结构保存有关线程的信息。

内核堆栈和用户空间堆栈

3 个答案: