在进程创建时，内核会为进程创建一系列数据结构，其中最重要的就是上章学习的task_struct结构，它就是进程描述符，表明进程在生命周期内的所有特征。同时，内核为进程创建两个栈，一个是用户栈，一个是内核栈，分别处于用户态和内核态使用的栈。本章主要包括以下内容
- 内核栈的概念
- thread_info的用途
1 内核态内核栈
在每个进程的生命周期内，经常会通过系统调用(SYSCALL)或者中断进入内核。在执行系统调用后，这些内核代码所使用的栈并不是原先用户空间的栈，而是一个内核空间的栈，这个栈被称作进程的“内核栈”。
由用户态切换到内核态，内核将用户态时的堆栈寄存器的值保存在内核栈中，以便从内核栈切换回进程栈时能找到用户栈的地址。但是，从进程栈切换到内核栈时，内核是如何找到该进程的内核栈的地址信息，这部分放到后续章节中详细介绍。
对于task_struct定义在include/linux/sched.h中，有和内核栈相关的数据项
struct task_struct {
struct thread_info thread_info;
...
void * stack;
...
}
其中，thread_info是一个体系相关的描述符，不同的硬件体系所需要记录的标志是不同，因此内核将和特定的硬件体系相关的标志定义在此结构中。
每个task的栈分成用户栈和内核栈两部分，进程内核栈在kernel中的定义在include/linux/sched.h中，如下：
union thread_unoin {
struct thread_info thread_info;
unsigned long stack[THREAD_SIZE/sizeof(long)];
}
每个task的内核栈大小THREAD_SIZE ：
//ARM架构 , 8K
#define THREAD_SIZE_ORDER 1
#define THREAD_SIZE (PAGE_SIZE << THREAD_SIZE_ORDER)
#define THREAD_START_SP (THREAD_SIZE - 8)
//ARM64架构, 16K
#define THREAD_SIZE 16384
#define THREAD_START_SP (THREAD_SIZE - 16)
//X86_64, 16K
#define THREAD_SIZE_ORDER (2 + KASAN_STACK_ORDER)
#define THREAD_SIZE (PAGE_SIZE << THREAD_SIZE_ORDER)
Linux 给每个 task 都分配了内核栈。在 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，左移一位就是乘以 2，也就是 8K。但是内核栈在 64 位系统上arch/x86/include/asm/page_64_types.h，是这样定义的：在 PAGE_SIZE 的基础上左移两位，也即 16K，并且要求起始地址必须是 8192 的整数倍。
2. 通过 task_struct 找内核栈
进程在内核中相关的主要数据结构有进程描述符task_struct、thread_info和mm_struct。上面的共同体thread_union 里，就有thread_info。我们都熟悉进程描述符task_struct，那么thread_info有什么用？
如果有一个task_struct的stack指针在手，你可以通过下面的函数找到这个线程的内核栈：
//sched.h (include\linux 105464 2018/3/18 592)
static inline void *task_stack_page(const struct task_struct *task)
{
return task->stack;
}
从 task_struct 如何得到相应的 pt_regs 呢？我们可以通过下面的函数：
//processor.h (arch\x86\include\asm)
#define task_pt_regs(task) \
({ \
unsigned long __ptr = (unsigned long)task_stack_page(task); \
__ptr += THREAD_SIZE - TOP_OF_KERNEL_STACK_PADDING; \
((struct pt_regs *)__ptr) - 1; \
})
你会发现，这是先从 task_struct 找到内核栈的开始位置。然后这个位置加上 THREAD_SIZE 就到了最后的位置，然后转换为 struct pt_regs，再减一，就相当于减少了一个 pt_regs 的位置，就到了这个结构的首地址。
对于arm64也同样使用
#define task_pt_regs(p) \
((struct pt_regs *)(THREAD_START_SP + task_stack_page(p)) - 1)
所以我们可以通过task_struct，就能够轻松得到内核栈和内核寄存器，如下图所示
3. 通过内核栈找 task_struct
那如果一个当前在某个 CPU 上执行的进程，你同样也可以知道 task_struct 在哪里，这个艰巨的任务要交给thread_info这个结构。
ARM架构：
查看arm架构的源码发现，前面提到的CONFIG_THREAD_INFO_IN_TASK宏是关闭的，且没有提供对外kconfig接口。也就是说在32位 arm架构中，thread_info 结构肯定在进程内核栈中。下面这种current宏适用于所有合“thread_info 结构在内核栈中”的架构：
struct thread_info {
unsigned long flags; /* low level flags */
int preempt_count; /* 0 => preemptable, <0 => bug */
mm_segment_t addr_limit; /* address limit */
struct task_struct *task; /* main task structure */
__u32 cpu; /* cpu */
__u32 cpu_domain; /* cpu domain */
struct cpu_context_save cpu_context; /* cpu context */
__u32 syscall; /* syscall number */
__u8 used_cp[16]; /* thread used copro */
unsigned long tp_value[2]; /* TLS registers */
#ifdef CONFIG_CRUNCH
struct crunch_state crunchstate;
#endif
union fp_state fpstate __attribute__((aligned(8)));
union vfp_state vfpstate;
#ifdef CONFIG_ARM_THUMBEE
unsigned long thumbee_state; /* ThumbEE Handler Base register */
#endif
};
这里面有个成员变量 task 指向 task_struct，所以我们常用 current_thread_info()->task 来获取 task_struct。
#define get_current() (current_thread_info()->task)
static inline struct thread_info *current_thread_info(void)
{
return (struct thread_info *)
(current_stack_pointer & ~(THREAD_SIZE - 1));
}
而 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。
ARM64架构：
通过发现在ARM64架构中，其定义如下：
#define get_current() (current_thread_info()->task)
static inline struct thread_info *current_thread_info(void)
{
unsigned long sp_el0;
asm ("mrs %0, sp_el0" : "=r" (sp_el0));
return (struct thread_info *)sp_el0;
}
ARM64使用sp_el0，在进程切换时暂存进程描述符地址，sp就是堆栈寄存器。在ARM64里，CPU运行在四个级别（或者叫运行空间），分别是el0、el1、el2、el3，el0则就是用户空间，el1则是内核空间。
X64架构(64位架构)
在x86上也可以采用和32位ARM类似的获取方式，然而在64位体系结构中，linux kernel一直采用的是另一种方式：使用了current_task这个每CPU变量，来存储当前正在使用cpu的进程描述符struct task_struct。
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
到这里，你会发现，新的机制里面，每个 CPU 运行的 task_struct 不通过 thread_info 获取了，而是直接放在 Per CPU 变量里面了。
4 总结
实际上在linux kernel中，task_struct、thread_info都用来保存进程相关信息，即进程 PCB 信息。然而不同的体系结构里，进程需要存储的信息不尽相同，linux使用task_struct存储通用的信息，将体系结构相关的部分存储在thread_info中。
- 在内核态，32 位和 64 位都使用内核栈，格式也稍有不同，主要集中在 pt_regs 结构上
- 在内核态，32 位和 64 位的内核栈和 task_struct 的关联关系不同。
- x86中32 位主要靠 thread_info，64 位主要靠 Per-CPU 变量，而ARM平台不论是32位还是64位，都是使用thread_info，其原理基本类似。
5. 参考文档
趣谈Linux操作系统
