进程的用户栈和内核栈

进程在运行时拥有用户栈和内核栈,分别位于用户空间和内核空间。当进程从用户态切换到内核态时,通过保存用户栈地址到内核栈并设置堆栈指针寄存器指向内核栈完成栈的切换。反之,从内核态返回用户态则恢复用户栈地址。内核栈用于保存中断和系统调用时的数据,而用户栈处理用户态的函数调用。设置双栈是为了确保安全性并允许进程间共享内核资源。

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进程的堆栈
  内核在创建进程的时候,在创建task_struct的同时,会为进程创建相应的堆栈。每个进程会有两个栈,一个用户栈,存在于用户空间,一个内核栈,存在于内核空间。当进程在用户空间运行时,cpu堆栈指针寄存器里面的内容是用户堆栈地址,使用用户栈;当进程在内核空间时,cpu堆栈指针寄存器里面的内容是内核栈空间地址,使用内核栈。

进程用户栈和内核栈的切换
  当进程因为中断或者系统调用而陷入内核态执行时,进程所使用的堆栈也要从用户栈转到内核栈。
  进程陷入内核态后,先把用户态堆栈的地址保存在内核栈之中,然后设置堆栈指针寄存器的内容为内核栈的地址,这样就完成了用户栈向内核栈的转换;当进程从内核态恢复到用户态之行时,在内核态之行的最后将保存在内核栈里面的用户栈的地址恢复到堆栈指针寄存器即可。这样就实现了内核栈和用户栈的互转。
  从内核转到用户态时,用户栈的地址是在陷入内核的时候保存在内核栈里面的,但是在陷入内核的时候,又是如何知道内核栈的地址的呢?
  关键在进程从用户态转到内核态的时候,进程的内核栈总是空的。这是因为,当进程在用户态运行时,使用的是用户栈,当进程陷入到内核态时,内核栈保存进程在内核态运行的相关信息,但是一旦进程返回到用户态后,内核栈中保存的信息无效,会全部恢复,因此每次进程从用户态陷入内核的时候得到的内核栈都是空的。所以在进程陷入内核的时候,直接把内核栈的栈顶地址给堆栈指针寄存器就可以了。

内核栈和用户栈区别

  内核创建进程,创建进程的同时创建进程控制块,创建进程自己的堆栈。一个进程有两个堆栈,用户栈和系统栈。用户堆栈的空间指向用户地址空间,内核堆栈的空间指向内核地址空间。
  有个CPU堆栈指针寄存器,进程运行的状态有用户态和内核态,当进程运行在用户态时。CPU堆栈指针寄存器指向的是用户堆栈地址,使用的是用户堆栈;当进程运行在内核态时,CPU堆栈指针寄存器指向的是内核堆栈地址,使用的是内核堆栈。

1、堆栈切换
  当系统因为系统调用(软中断

### ARM架构中内核用户的区别及工作机制 在ARM架构中,内核用户是操作系统管理内存任务执行的重要组成部分。它们各自服务于不同的目的,并在不同的特权级别下运行。 #### 内核 内核是操作系统内核的一部分,用于存储内核级别的函数调用信息。每当一个进程用户模式切换到内核模式时(例如,通过系统调用或中断),当前的上下文会被保存到内核中。这样可以确保当处理完内核模式下的操作后,能够正确地恢复到用户模式并继续执行原来的程序。 - 内核通常位于内核空间的高地址区域,以防止与用户空间的数据发生冲突。 - 每个进程都有自己的内核,其大小一般固定,由内核配置决定。 - 内核的管理由操作系统负责,用户程序无法直接访问或修改它。 #### 用户 用户则是每个用户进程私有的空间,用于存储用户程序中的函数调用信息。它随着用户程序的执行动态增长缩小。 - 用户位于用户空间的低地址区域,靠近程序代码数据段。 - 用户的大小可以根据需要动态调整,通常受限于系统的资源限制。 - 用户的增长方向通常是向低地址方向进行的,而内核则可能向高地址方向增长。 #### 工作机制 在ARM架构中,的工作机制涉及到处理器模式特权级别的切换。ARM处理器支持多种工作模式,包括用户模式、快速中断模式、外部中断模式、管理模式、数据访问终止模式、未定义指令中止模式以及系统模式等。 - 当用户程序执行系统调用或者遇到异常时,处理器会切换到相应的特权模式,并自动保存当前的状态到对应的内核中。 - 一旦进入内核模式,所有的操作都将使用内核来进行函数调用局部变量的分配。 - 完成内核模式下的处理后,通过恢复之前保存的状态,处理器返回到用户模式,并继续使用用户执行用户程序。 为了保证安全性稳定性,操作系统会对用户内核之间的转换进行严格的控制。例如,在Linux内核中,当进程执行系统调用时,会触发软中断,导致处理器切换到管理模式,并跳转到特定的处理例程,此时处理器会自动保存当前的寄存器状态到内核中[^2]。 ```assembly ; 示例伪代码展示系统调用进入内核的过程 ; 当用户程序执行svc指令时,处理器切换到管理模式 ; 并跳转到向量表中的SVC处理入口 SVC_Handler: ; 保存现场 mrs r0, spsr stmfd sp!, {r0-r12, lr} ; 调用具体的系统调用处理函数 bl do_svc ; 恢复现场 ldmfd sp!, {r0-r12, pc}^ ``` 这段伪代码展示了当用户程序执行`svc`指令时,如何进入内核模式并处理系统调用。可以看到,处理器会自动保存寄存器状态到内核中,然后调用处理函数,最后恢复现场并返回用户模式。 #### 总结 内核用户在ARM架构中扮演着不同的角色,分别服务于内核模式用户模式下的函数调用需求。它们之间的转换机制确保了系统的稳定性安全性,同时也支持了高效的上下文切换异常处理。
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