Linux内核学习之 -- ARMv8中的Current宏

环境

linux 4.19

current宏

定义在arch/arm64/include/asm/current.h：

#define current get_current()
...
...
static __always_inline struct task_struct *get_current(void)
{
   
	unsigned long sp_el0;

	asm ("mrs %0, sp_el0" : "=r" (sp_el0));

	return (struct task_struct *)sp_el0;
}

从代码中可以看到，这个current宏是通过读取sp_el0的值来获取当前进程对应的struct task_struct。

在x86下，是把thread_info放在内核栈最底端，然后先要找到thread_info再找到struct task_struct。归根结底是因为x86寄存器太少，而像struct task_struct这么重要且经常使用的结构体，应该放到某个容易寻找的位置或者寄存器中最合适，方便快速访问。这是《Linux内核设计与实现》这本书中介绍的方法，通过地址偏移来获取thread_info。但是现在已经不这么做了，等会将介绍现在是如何做的。

在ARMv8中，可以通过sp_el0来存放当前进程struct task_struct的位置的，请看：ThreadInfo结构和内核栈的两种关系。看完这篇文章后，可以知道：

• 存在两种thread_info架构：①与x86一样，放在内核栈最底端，这样做可以通过地址偏移来获取到内核栈thread_info，然后再通过thread_info获取到struct task_struct；②开启CONFIG_THREAD_INFO_IN宏之后，thread_info放在struct task_struct中，struct task_struct
• ARMv8使用的是第二种架构，所以需要通过某个能够获取到的信息来保存struct task_struct的地址
• 在ARMv8中，使用sp_el0来保存当前进程的struct task_struct
• 这篇文章还提到了，进程切换时也会切换sp_el0，时刻保持sp_el0存储的是当前进程的struct task_struct地址。

可以看到，对于arm64来讲，current宏是从sp_el0寄存器中获取的。但是有一点不理解，就是sp_el0不是用户态的程序使用的吗？啥时候被换成用来保存struct task_struct了呢？这就涉及到两个问题：

1. 何时更改sp_el0指向的地址？也就是说什么时候使sp_el0指向当前进程的struct task_struct？
2. 在使用sp_el0保存struct task_struct之前，这个结构体保存在哪里？

首先说一说x86现在的做法，已经不再是之前那样了。现在在x86体系下，Linux内核定义了名为current_task的Per-CPU变量，每个CPU上当前运行的进程task_struct指针都保存current_task变量中。

为了解决ARMv8是怎么做的，需要先从第1个问题入手，就是什么时候sp_el0保存的内容进行切换。在用户态下是不能使用current宏的，而且用户态下sp_el0有自己的用途，就是指向进程地址空间的栈。所以sp_el0指向的地址的切换，一定是在用户态切换到内核态时完成的。

用户态切内核态就几种方法，同步异常、中断等等，这些都离不开中断向量表。关于ARMv8的系统调用/中断等，可以看一下我写的另外一篇博客：Linux内核学习之 – ARMv8架构的系统调用笔记。我们以系统调用el0_sync为例(当时分析系统调用的时候基于linux 4.19内核，现在5.15内核已经不叫这个函数名了)：

el0_sync:
	kernel_entry 0
	mrs	x25, esr_el1			// read the syndrome register， 寄存器esr_el1是在权限级EL1下可以访问的系统寄存器，该寄存器的相关状态就表明了异常发生的具体原因。
	lsr	x24, x25, #ESR_ELx_EC_SHIFT	// exception class, lsr: 逻辑右移指令，实现将寄存器进行右移操作, 將x25寄存器的值右移ESR_ELx_EC_SHIFT位后赋值给x24寄存器
	cmp	x24, #ESR_ELx_EC_SVC64		// SVC in 64-bit state
	b.eq	el0_svc