内核代码中和用户栈相关的几个片段

秒速五厘米 2022-08-25 14:53 77阅读 0赞

今天突然脑子里面几处知识点大串联，貌似是迸发出了些许思维的火花，以前一直感觉模模糊糊的有关用户栈的大小限制、栈是怎么自动扩展等问题，通过对照以前看过的内核代码的一些关键片段，似乎清晰了起来。机不可失，趁还没迷糊之前拿笔记下来。  
  
问题1 Linux下用户程序的默认 栈 大小是多少？如何查看，又如何更改默认值(上层指令和底层实现)？  
  
在bash中输入“ulimit -s "，就可以查看用户程序的默认栈大小，在我的机器上的结果是(单位为KB)

![None.gif][]whodare@whodare:~$ ulimit \-s  
![None.gif][]8192  
![None.gif][]

修改默认栈大小也很容易

![None.gif][]whodare@whodare:~$ ulimit \-s 16384  
![None.gif][]whodare@whodare:~$ ulimit \-s  
![None.gif][]16384  
![None.gif][]

注意，以上的修改只对该bash之后产生成的子进程具有影响，不具备持久性。  
  
知道了方法，那就来看看有时如何在内核中体现的吧。首先要清楚系统中的每个进程都有一组相关的资源限制，指定了能获取和使用的系统资源的上限，以避免用户过度使用系统资源。  
  
这样的一组限制在kernel中是通过元素为rlimit结构的数组来实现的，数组的每个元素对应一种资源限制。

![None.gif][]  struct  rlimit  
![None.gif][] ｛  
![None.gif][] unsigned  long  rlim \_ curr;  
![None.gif][] unsigned  long  rlim\_max;  
![None.gif][] \}  
![None.gif][]

其中rlim\_curr表示的是资源限制的当前值(注意不要误解为是资源当前使用量)，而rlim\_max表示的是资源限制的最大值。前者是软限制，可以由用户自行修改，只要不超过rlim\_max；后者是硬限制，只有管理员才有权限对rlim\_max进行更改。  
  
每个进程的资源限制数组存放在current->signal->rlim字段中，并且资源限制会被子进程自动继承。  
  
这样就容易理解前面的bash命令了，实质就是读和更新current->signal->rlim\[RLIMIT\_STACK\].rlim\_curr的值。  
  
2。栈空间溢出  
  
如果在函数内部声明了尺寸巨大的数组，很容易会出现栈溢出的错误，即程序运行时提示："segment error.core dumped"。内核是如何检测到栈溢出的错误呢？  
  
概括的说，这是通过对缺页异常的处理来完成的。假设我们定义如下一个函数

![None.gif][] \#define  SIZE 0x800000   
![None.gif][]  
![None.gif][] int  foo ( )  
![ExpandedBlockStart.gif][]![ContractedBlock.gif][] ... \{  
![InBlock.gif][]  
![InBlock.gif][]char array\[SIZE\];  
printf("foo");  
![InBlock.gif][]return0;  
![ExpandedBlockEnd.gif][]\}   
![None.gif][]

其中的数组生命通常会被编译器翻译为“ sub 0x800000 %exp"，即通过更改ESP来为局部变量分配空间。而对于这里的函数foo，由于这里局部数组的大小和默认栈大小相同(8192KB)，因此ESP的值会变为非法，确切的说，在执行完 “ sub 0x800000 %exp"这条语句后，ESP所指向的内存地址不在进程的任何一个合法内存线性区的范围之内；当程序运行到printf()时，会用到ESP进行寻址，这时候会出现缺页异常，而异常处理程序会根据导致异常发生的不同场景采取不同的处理；对于这个foo函数，缺页异常处理函数会判定属于访问非法地址，因此向进程发送SIGSEGV信号，导致进程终止执行。  
  
3.栈的自动扩展  
  
事实上，当一个程序开始运行时(fork+exec)，为其用户栈分配的VMA并不是对应着全部栈空间的，而只是一小部分；随着函数调用的一层层叠加，栈会自动扩展，自动增大栈的当前大小。这也是在缺页异常处理中完成的。  
与前一种情况的区别在于，只有在导致缺页异常的那个线性地址并不比当前esp低很多的情况下，才会调用expand\_stack()这个函数来试图扩展栈空间，而该函数内部调用acct\_stack\_growth() 来检测是否栈空间已经达到currnent->signal->rlim\[RLIMIT\_STACK\].rlim\_curr规定的上限，如果没有，那么就扩展栈空间，否则同样发送SIGSEGV信号，终止进程。

[None.gif]: /images/20220824/395c3ba7e2bf4b72b73db593d43b23ba.png
[ExpandedBlockStart.gif]: http://images.csdn.net/syntaxhighlighting/OutliningIndicators/ExpandedBlockStart.gif
[ContractedBlock.gif]: /images/20220824/8c7359d576834a8abf0ad8505da0e803.png
[InBlock.gif]: /images/20220824/1d84fc68bf7c4514b8c5596035eb7cf1.png
[ExpandedBlockEnd.gif]: /images/20220824/10dda7a38c324abaaf2b7bf0a8cbb081.png