Разработка ядра Linux

В пространстве пользователя многие операции выделения памяти, в частности некоторые рассмотренные ранее примеры, могут быть выполнены с использованием стека, потому что априори известен размер выделяемой области памяти. В пространстве пользователя доступна такая роскошь, как очень большой и динамически увеличивающийся стек задачи, однако в режиме ядра такой роскоши нет — стек ядра маленький и фиксирован по размеру. Когда процессу выделяется небольшой и фиксированный по размеру стек, то затраты памяти уменьшаются и ядру нет необходимости выполнять дополнительные функции по управлению памятью.

Размер стека зависит как от аппаратной платформы, так и от конфигурационных параметров, которые были указаны на этапе компиляции. Исторически размер стека ядра был равен двум страницам памяти для каждого процесса. Это соответствует 8 Кбайт для 32-разрядных аппаратных платформ и 16 Кбайт для 64-разрядных аппаратных платформ.

В первых версиях ядер серии 2.6 была введена возможность конфигурации, для которой размер стека ядра равен одной странице памяти. Когда устанавливается такая конфигурация, то процесс получает стек, по размеру равный всего одной странице памяти: 4 Кбайт на 32-разрядных аппаратных платформах и 8 Кбайт — на 64-разрядных. Это сделано по двум причинам. Во-первых это уменьшает затраты памяти на одну страницу для каждого процесса. Во-вторых, что наиболее важно, при увеличении времени работы системы (uptime) становится все тяжелее искать две физически смежные страницы памяти. Физическая память становится все более фрагментированной, и нагрузка на систему управления виртуальной памятью при создании новых процессов становится все более существенной.

Существует еще одна сложность (оставайтесь с нами, и Вы узнаете все о стеках ядра). Вся последовательность вложенных вызовов функций в режиме ядра должна поместиться в стеке. Исторически обработчики прерываний используют стек того процесса, выполнение которого они прервали. Это означает, что в худшем случае 8 Кбайт стека должно использоваться совместно всеми вложенными вызовами функций и еще парой обработчиков прерываний. Все это эффективно и просто, но это накладывает еще больше ограничений на использование стека ядра. Когда размер стека сократился до одной страницы памяти, обработчики прерываний туда перестали помещаться.

Для решения указанной проблемы была реализована еще одна возможность — стеки обработчиков прерываний. Стеки прерываний представляют собой один стек на каждый процессор, которые используются для обработки прерываний. При такой конфигурации обработчики прерываний больше не используют стеки ядра тех процессов, которые этими обработчиками прерываются. Вместо этого они используют свои собственные стеки. Это требует только одну страницу памяти на процессор.

Подведем итоги. Стек ядра занимает одну или две страницы памяти, в зависимости от конфигурации, которая выполняется перед компиляцией ядра. Следовательно, размер стека ядра может иметь диапазон от 4 до 16 Кбайт. Исторически обработчики прерываний совместно использовали стек прерванного ими процесса. При появлении стеков ядра размером в одну страницу памяти обработчикам прерываний были назначены свои стеки. В любом случае неограниченная рекурсия и использование функций вроде alloca() явно не допустимы.

Честная игра со стеком

В любой функции необходимо сокращать использование стека до минимума. Хотя не существует твердых правил, тем не менее следует поддерживать максимальный суммарный объем всех локальных переменных (также известных как автоматические переменные или переменные, выделенные в стеке) не больше нескольких сотен байтов. Опасно статически выделять большие объекты в стеке, такие как большие массивы структур. В противном случае выделение памяти в стеке будет выполняться так же, как и в пространстве пользователя. Переполнение стека происходит незаметно и обычно приводит к проблемам. Так как ядро не выполняет никакого управления стеком, то данные стека просто перепишут все, что находится за стеком. В первую очередь пострадает структура thread_info, которая расположена в самом конце стека процесса (вспомните главу 3). За пределами стека все данные ядра могут пропасть. В лучшем случае при переполнении стека произойдет сбой в работе машины. В худших случаях может произойти повреждение данных.

В связи с этим, для выделения больших объемов памяти необходимо использовать одну из динамических схем выделения памяти, которые были рассмотрены раньше в этой главе.

Отображение верхней памяти

По определению, страницы верхней памяти не могут постоянно отображаться в адресное пространство ядра. Поэтому страницы памяти, которые были выделены с помощью функции alloc_pages(), при использовании флага __GFP__HIGHMEM могут не иметь логического адреса.