14 | 进程数据结构（下）：项目多了就需要项目管理系统

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一个任务执行的方方面面，都可以被task_struct 很好的管理起来。
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。

struct thread_info    thread_info;
void  *stack;

1、用户态函数栈

用户态中，程序的执行往往是一个函数调用另一个函数，函数调用通过栈来执行的，

函数调用就是指令跳转，重点是参数和返回地址怎么传递过去。

函数调用过程：
A 调用 B，调用C，调用D，然后返回C，返回B，返回A。
后进先出，栈也是后进先出

栈是一个从高地址到低地址，往下增长的结构，上面是栈底，下面是栈顶，入栈和出栈的操作都是从下面的栈顶开始的。

32位操作系统上：

CPU中，ESP （Extended stack Pointer）栈顶指针寄存器，入栈操作PUSH 和出栈 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。

举例，对照上面的图理解：
a调用b
a的栈里面：最上面是包含a函数的局部变量，然后是要传给b的参数，然后是返回a的地址
b的栈帧：最上面是a 栈帧的栈底位置 EBP，b 函数中获取a给过来的参数就是通过这个指针获取的，然后是b的局部变量等。

当b 返回的时候，返回值保存在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位操作系统上：

寄存器数目比较多
rax：保存函数调用的返回结果
rsp：栈顶指针寄存器
堆栈的pop和push 操作会自动调整rsp
rbp：栈基指针寄存器，指向栈帧的起始位置

rdi、rsi、rdx、rcx、r8、r9 寄存器：用于存储函数调用时的6个参数
比6个多的时候，还是需要放到栈里。

前面6个参数需要寻址的时候，因为在寄存器里是没有地址的，因而还是会被放到栈里。这个操作是 被调用函数做的。

以上的栈操作，都是在进程的内存空间里进行的。

2、内核态函数栈

成员变量 stack ，在内核中各种各样的函数调用就用到了。
Linux 给每个task 都分配了内核栈

32位系统上 arch/x86/include/asm/page_32_types.h 是这样定义的一个 PAGE_SIZE 是 4k，左移一位乘以2，就是 8K

#define THREAD_SIZE_ORDER  1
#define THREAD_SIZE    (PAGE_SIZE << THREAD_SIZE_ORDER)

64位系统上 arch/x86/include/asm/page_64_types.h 中定义在PAGE_SIZE的基础上左移两位，也即16k，并且起始地址必须是 8192的整数倍

#ifdef CONFIG_KASAN
#define KASAN_STACK_ORDER 1
#else
#define KASAN_STACK_ORDER 0
#endif


#define THREAD_SIZE_ORDER  (2 + KASAN_STACK_ORDER)
#define THREAD_SIZE  (PAGE_SIZE << THREAD_SIZE_ORDER)

内核栈结构如下：

最下面，空间最低的位置是一个 thread_info 结构，这个结构是对 task_struct 结构的补充。
因为 task_struct 结构庞大但是通用，不同的体系结构就需要保存不同的东西，与体系结构有关的，都放在 therad_info 里。

内核代码里有这样一个 union ，将 thread_info 和 stack 放在一起，在 include/linux/sched.h 文件中就有

union thread_union {
#ifndef CONFIG_THREAD_INFO_IN_TASK
  struct thread_info thread_info;
#endif
  unsigned long stack[THREAD_SIZE/sizeof(long)];
};

这个 union 就是这样定义的，开头是 thread_info ，后面是 stack

在内核栈的最高地址端，存放的是另一个结构 pt_regs，定义如下，其中 32位和64位的定义不一样。

#ifdef __i386__
struct pt_regs {
  unsigned long bx;
  unsigned long cx;
  unsigned long dx;
  unsigned long si;
  unsigned long di;
  unsigned long bp;
  unsigned long ax;
  unsigned long ds;
  unsigned long es;
  unsigned long fs;
  unsigned long gs;
  unsigned long orig_ax;
  unsigned long ip;
  unsigned long cs;
  unsigned long flags;
  unsigned long sp;
  unsigned long ss;
};
#else 
struct pt_regs {
  unsigned long r15;
  unsigned long r14;
  unsigned long r13;
  unsigned long r12;
  unsigned long bp;
  unsigned long bx;
  unsigned long r11;
  unsigned long r10;
  unsigned long r9;
  unsigned long r8;
  unsigned long ax;
  unsigned long cx;
  unsigned long dx;
  unsigned long si;
  unsigned long di;
  unsigned long orig_ax;
  unsigned long ip;
  unsigned long cs;
  unsigned long flags;
  unsigned long sp;
  unsigned long ss;
/* top of stack page */
};
#endif 

当系统调用 从用户态到内核态的时候，要做的第一件事情，就是将用户态运行过程中的CPU 上下文保存起来，主要就是保存在这个结构的寄存器变量里。
这样当从内核系统调用返回的时候，才能让进程在刚才的地方接着运行下去。

压栈的值的顺序和 struct pt_regs 中寄存器定义的顺序是一样的。

在内核中，CPU 的寄存器 ESP 或者 RSP ，已经指向内核栈的栈顶，在内核态里的调用都有和用户态相似的过程。

3、通过 task_struct 找内核栈

如果有一个当前在某个 CPU 上执行的过程，想知道自己的 task_strcut 在哪里，怎么办。

通过 thread_info 这个结构来获取：

struct thread_info {
  struct task_struct  *task;    /* main task structure */
  __u32      flags;    /* low level flags */
  __u32      status;    /* thread synchronous flags */
  __u32      cpu;    /* current CPU */
  mm_segment_t    addr_limit;
  unsigned int    sig_on_uaccess_error:1;
  unsigned int    uaccess_err:1;  /* uaccess failed */
};

有个成员变量 task 指向 task_struct ，所以常用current_thread_info()->task 来获取task_struct

static inline struct thread_info *current_thread_info(void)
{
  return (struct thread_info *)(current_top_of_stack() - THREAD_SIZE);
}

thread_info 的位置就是内核栈的最高位置，减去THREAD_SIZE 就到了 thread_info 的起始地址。

但是现在变成这样了，只剩下一个 flags

struct thread_info {
        unsigned long           flags;          /* low level flags */
};

那这个时候怎么获取当前运行中的 task_struct 呢？
current_thread_info 有了新的实现方式

在 include/linux/thread_info.h 中定义了 current_thread_info

#include <asm/current.h>
#define current_thread_info() ((struct thread_info *)current)
#endif

在arch/x86/include/asm/current.h 中定义了current：

struct task_struct;


DECLARE_PER_CPU(struct task_struct *, current_task);


static __always_inline struct task_struct *get_current(void)
{
  return this_cpu_read_stable(current_task);
}


#define current get_current

每个CPU 运行的 task_struct 不通过thread_info 获取了，而是直接放在 Per CPU 变量中。

多核情况下，CPU 是同时运行的，但是当他们共同使用其他硬件资源的时候，我们需要解决多个CPU 之间的同步问题。

Per CPU 变量是内核中一种重要的同步机制，顾名思义，Per CPU 变量就是为每个CPU 构造一个变量的副本，这样每个CPU 操作自己的副本，互不干涉。
比如当前进程的变量 current_task 就被声明为 Per CPU 变量。

要使用 Per CPU 变量，首先要声明这个变量，在 arch/x86/include/asm/current.h 中有：

DECLARE_PER_CPU(struct task_struct *, current_task);

然后是定义这个变量，在 arch/x86/kernel/cpu/common.c 中有：

DEFINE_PER_CPU(struct task_struct *, current_task) = &init_task;

也就是说系统刚刚初始化的时候， current_task 都指向 init_task

当某个CPU 上的进程进行切换的时候， current_task 被修改为将要切到的目标进程。例如：进程切换函数 _switch_to 就会变成 current_task

__visible __notrace_funcgraph struct task_struct *
__switch_to(struct task_struct *prev_p, struct task_struct *next_p)
{
......
this_cpu_write(current_task, next_p);
......
return prev_p;
}

当要获取当前的运行中的 task_struct 的时候，就需要调用 this_cpu_read_stable 进行读取

#define this_cpu_read_stable(var)       percpu_stable_op("mov", var)

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