【深入内核】Linux 内核栈详解：你所需要知道的一切

🔍【深入内核】Linux 内核栈详解：你所需要知道的一切

内核调试经常遇到栈溢出、Oops、watchdog 死锁等问题？内核栈搞不清楚会非常致命。这篇文章将用清晰的结构，带你彻底搞懂 Linux 的 内核栈 —— 什么是内核栈、为什么重要、常见误区、如何避免踩坑。

🧠 一、什么是内核栈？

内核栈（Kernel Stack）是 Linux 为每个线程在 运行内核代码时专用的一块栈空间。
当用户进程通过系统调用、中断或异常「进入内核」后，Linux 不再使用用户栈，而是切换到它自己的内核栈：

1
2
用户态 → 系统调用 / 中断 → 内核态
               ↘ 使用内核栈

内核栈用于保存：

  • 函数调用链（call stack）
  • 局部变量
  • 寄存器上下文
  • 中断处理信息

🧵 二、每个线程都有一块内核栈

  • 每个 task_struct 对应一块独立的内核栈。
  • 不管线程是否在用户态运行，内核栈始终分配好。
  • 当进入内核态（syscall / 异常 / 中断）时，就会切换到该线程的内核栈。

📏 三、内核栈有多大？

在 ARM64 架构下，默认是 16KB，不能扩展！

栈属性 说明
默认大小 16KB（ARM64）
分配方式 与 thread_info 共享
是否可扩展 ❌ 否
每个线程独立 ✅ 是

📦 四、内核栈中都装了什么？

  • 函数局部变量
  • 调用参数和返回地址
  • 中断上下文 / 异常上下文
  • 调用链回溯信息

举个例子，系统调用 read() 会导致内核中多层函数调用，整个过程都在内核栈中执行：

1
2
3
4
5
read()
 └── vfs_read()
      └── do_sync_read()
           └── driver_read()
                ↘ buffer[], local vars 等

⚠️ 五、内核栈的常见“死亡操作”

❌ 5.1 在栈上分配大数组（>1KB）

如果你这样写：

1
char buf[16 * 4 * 1024];  // = 64KB，直接炸栈 💥

100% 会导致内核栈溢出，crash，甚至 watchdog reboot。

正确的做法：动态分配

使用 kmalloc() 或 __get_free_pages()：

1
2
3
4
5
6
char *buf = kmalloc(4096, GFP_KERNEL);
if (!buf)
    return -ENOMEM;

// 使用完毕后释放
kfree(buf);

或：

1
2
3
char *buf = (char *)__get_free_pages(GFP_KERNEL, 2);  // 2^2 pages = 4 pages = 16KB
...
free_pages((unsigned long)buf, 2);

❌ 5.2 返回栈上变量的地址

1
2
3
4
char *danger() {
    char temp[128];
    return temp;  // ❌ 返回野指针
}

🧠 六、内核栈 vs 用户栈 对比表

属性 用户栈 内核栈
使用场景 用户态代码 内核态代码
分配方式 动态（可扩展） 固定分配（每线程）
大小 几 MB 16KB（ARM64 默认）
是否可信 ❌ 不可信 ✅ 可信
是否共享 ❌ 不共享 ❌ 不共享

🛠️ 七、调试内核栈使用的方法

7.1 开启内核编译选项：

1
CONFIG_DEBUG_STACK_USAGE=y

可以在调度时打印出每个线程的最大栈使用。

7.2 使用 crash 工具：

1
crash> bt -a

查看所有进程栈回溯和使用情况。

7.3 查看 /proc：

1
cat /proc/<pid>/stack

显示当前任务在内核态的调用栈。

🧨 八、内核栈溢出日志示例

一旦栈爆了，通常会看到类似错误：

1
2
3
kernel stack overflow detected
Internal error: Oops - BUG: 0 [#1] SMP
task: kworker/0:1, pid: 15, stack limit = 0xffff800011280000

此类错误多数来源于中断上下文使用了过大的栈，或者函数嵌套调用层次太深。

✅ 九、总结建议

建议 原因
🚫 避免在内核栈上分配大数组 超过 1KB 就危险
✅ 使用 kmalloc 分配大缓冲区 避免占用固定栈
🧪 开启 DEBUG_STACK_USAGE 检测 定位谁在用太多栈
⚠️ 遇到 crash 要检查是否爆栈 特别是中断/死锁类问题