set_task_stack_end_magic()

set_task_stack_end_magic()

start_kernel()이 커널 초기화 과정을 수행하는 동안 사용할 최초 커널 스택의 마지막에 magic value를 기록한다. 이후에 만들어지는 커널 스택은 메모리를 할당 받아 생성되어 사용되며 태스크가 종료되는 경우 메모리를 회수한다.
기록된 magic value(STACK_END_MAGIC: 0x57AC6E9D)를 통해 kernel stack overflow를 감지하는데 사용된다.

void set_task_stack_end_magic(struct task_struct *tsk)
{
        unsigned long *stackend;

        stackend = end_of_stack(tsk);
        *stackend = STACK_END_MAGIC;    /* for overflow detection */
}

STACK_END_MAGIC=0x57AC_6E9D

end_of_stack()

CONFIG_THREAD_INFO_IN_TASK 사용 케이스 (ARM64 must)

include/linux/sched/task_stack.h

static inline unsigned long *end_of_stack(const struct task_struct *task)
{
        return task->stack;
}

태스크에 해당하는 stack의 끝 주소를 반환한다. 스택의 마지막 위치에는 스택 마지막을 표시하는 매직 값이 위치한다.

ARM32 에서 CONFIG_THREAD_INFO_IN_TASK를 사용하지 않는 케이스

include/linux/sched/task_stack.h

/*
 * Return the address of the last usable long on the stack.
 *
 * When the stack grows down, this is just above the thread
 * info struct. Going any lower will corrupt the threadinfo.
 *
 * When the stack grows up, this is the highest address.
 * Beyond that position, we corrupt data on the next page.
 */

static inline unsigned long *end_of_stack(struct task_struct *p)
{
#ifdef CONFIG_STACK_GROWSUP
        return (unsigned long *)((unsigned long)task_thread_info(p) + THREAD_SIZE) - 1; 
#else
        return (unsigned long *)(task_thread_info(p) + 1);
#endif
}

요청한 태스크에 해당하는 스택의 마지막 unsigned long 값을 반환한다. 스택의 마지막 위치에는 스택 마지막을 표시하는 매직 값이 위치한다.

CONFIG_STACK_GROWSUP
- 스택이 상향으로 push되는 경우에 사용
- arm, arm64 default: 하향으로 스택이 push된다.
task가 가지고 있는 kernel stack의 마지막 주소를 리턴한다.
- task는 kernel stack과 user stack를 각각 하나씩 가진다.
- kernel stack은 kernel이 자신의 코드를 수행할 때 사용하는 코드이다.
- 예를 들어, user application이 요청한 시스템 콜을 수행할 때 kernel stack이 사용될 수 있다.
- 참고: kernel stack

kernel stack 구조

아키텍처마다 커널 스택 크기가 다르다.
- arm32
  - 8K (2 페이지)
  - 1개 페이지로 돌아가려고 노력하고 있으므로, 나중에 변경될 수도 있다.
- arm64
  - 16K (default)
  - 64K (1페이지=64K 이면서 vmap stack 사용시)

아래 그림은 커널 스택에서의 스택 보호용 매직 번호가 있는 위치를 보여준다.

arm64의 경우 thread_info가 스택에서 제거되어 task_struct의 안으로 들어가므로 매직 번호는 가장 하단에 위치하게 된다.

thread_union

include/linux/sched.h

union thread_union {
#ifndef CONFIG_ARCH_TASK_STRUCT_ON_STACK
        struct task_struct task;
#endif
#ifndef CONFIG_THREAD_INFO_IN_TASK
        struct thread_info thread_info;
#endif
        unsigned long stack[THREAD_SIZE/sizeof(long)];
};

CONFIG_ARCH_TASK_STRUCT_ON_STACK
- ia64 아키텍처만 이 커널 옵션을 사용한다.
CONFIG_THREAD_INFO_IN_TASK
- 커널 v4.9-rc1에 추가된 기능으로 이 커널 옵션을 사용하는 경우 보안을 위해 스택의 아래에 존재하던 thread_info를 제거하여 task_struct의 첫 엔트리로 옮겼다. 이렇게 첫 부분에 옮겨 놓았으므로 task_struct 구조체도 thread_union의 thread_info를 통해 접근이 가능하다.
- arm은 사용하지 않는 옵션이지만 arm64의 경우는 적용되었다.
- 참고: sched/core: Allow putting thread_info into task_struct

task_struct 구조체 (처음 부분만)

include/linux/sched.h

struct task_struct {
#ifdef CONFIG_THREAD_INFO_IN_TASK
        /*
         * For reasons of header soup (see current_thread_info()), this
         * must be the first element of task_struct.
         */
        struct thread_info              thread_info;
#endif
        volatile long                   state;

        /*
         * This begins the randomizable portion of task_struct. Only
         * scheduling-critical items should be added above here.
         */
        randomized_struct_fields_start

        void                            *stack;
        ...
}

CONFIG_THREAD_INFO_IN_TASK 커널 옵션을 사용한 경우 가장 처음에 스레드 정보가 위치함을 알 수 있다.

thread_info – ARM

arch/arm/include/asm/thread_info.h

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 */
#ifdef CONFIG_STACKPROTECTOR_PER_TASK
        unsigned long           stack_canary;
#endif
        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
};

thread_info – ARM64

arch/arm64/include/asm/thread_info.h

struct thread_info {
        unsigned long           flags;          /* low level flags */
        mm_segment_t            addr_limit;     /* address limit */
#ifdef CONFIG_ARM64_SW_TTBR0_PAN
        u64                     ttbr0;          /* saved TTBR0_EL1 */
#endif
        union {
                u64             preempt_count;  /* 0 => preemptible, <0 => bug */
                struct {
#ifdef CONFIG_CPU_BIG_ENDIAN
                        u32     need_resched;
                        u32     count;
#else
                        u32     count;
                        u32     need_resched;
#endif
                } preempt;
        };
};

task_thread_info()

include/linux/sched.h

#ifdef CONFIG_THREAD_INFO_IN_TASK
static inline struct thread_info *task_thread_info(struct task_struct *task)
{
        return &task->thread_info;
}
#elif !defined(__HAVE_THREAD_FUNCTIONS)
# define task_thread_info(task) ((struct thread_info *)(task)->stack)
#endif

요청한 태스크에 해당하는 스레드 정보(thread_info 구조체)를 반환한다.

CONFIG_THREAD_INFO_IN_TASK 커널 옵션을 사용한 여부와 관련하여
- 사용한 경우 task 디스크립터에 위치한 스레드 정보를 가져온다.
- 사용하지 않은 경우 스택에서 스레드 정보를 가져온다.

thread_union

include/linux/sched.h

union thread_union {
#ifndef CONFIG_ARCH_TASK_STRUCT_ON_STACK
        struct task_struct task;
#endif
#ifndef CONFIG_THREAD_INFO_IN_TASK
        struct thread_info thread_info;
#endif
        unsigned long stack[THREAD_SIZE/sizeof(long)];
};

스택과 같은 주소를 공유하는 구조체들이다.

CONFIG_ARCH_TASK_STRUCT_ON_STACK (default=n) 커널 옵션을 사용하지 않는 경우에 task_struct 구조체를 사용한다.
- Construct init thread stack in the linker script rather than by union (2018, v4.16-rc1)
CONFIG_THREAD_INFO_IN_TASK (default=y) 커널 옵션을 사용하지 않는 경우에 thread_info 구조체를 사용한다. (ARM64는 사용하지 않는다)
- 참고: sched/core: Allow putting thread_info into task_struct (2016, v4.9-rc1)
스택은 THREAD_SIZE 크기 만큼 사용한다.

다음 그림은 CONFIG_THREAD_INFO_IN_TASK 커널 옵션 사용에 따른 변화를 보여준다.

ARM64의 경우 이 커널 옵션은 항상 선택되어 thread_info가 스택에서 분리하여 태스크 디스크립터에 포함된다.

다음 그림은 CONFIG_ARCH_TASK_STRUCT_ON_STACK 커널 옵션 사용에 따른 변화를 보여준다.

이 커널 옵션을 사용하는 경우 vmlinux.lds.h가 지정하는 섹션을 통해 들어가다보면 init_task가 init_stack 내에 포함되는 것을 알 수 있다.

INIT_TASK_DATA()

include/asm-generic/vmlinux.lds.h

#define INIT_TASK_DATA(align)                                           \
        . = ALIGN(align);                                               \
        __start_init_task = .;                                          \
        init_thread_union = .;                                          \
        init_stack = .;                                                 \
        KEEP(*(.data..init_task))                                       \
        KEEP(*(.data..init_thread_info))                                \
        . = __start_init_task + THREAD_SIZE;                            \
        __end_init_task = .;

init_stack을 만들때 __start_init_task, init_thread_union 심볼등도 같은 주소로 생성한다.

init_task의 경우 CONFIG_ARCH_TASK_STRUCT_ON_STACK 커널 옵션을 사용하는 경우 아래의 __init_task_data 섹션 지시 매크로를 통해 .data..init_task 섹션에 포함시킨다.
init_thread_info의 경우 CONFIG_THREAD_INFO_IN_TASK 커널 옵션을 사용지 않는 경우 .data..init_task 섹션에 포함시킨다. (ARM64의 경우 이 옵션을 사용하지 않으므로 해당 섹션 위치를 사용하지 않는다.)

__init_task_data

include/linux/init_task.h

/* Attach to the init_task data structure for proper alignment */

#ifdef CONFIG_ARCH_TASK_STRUCT_ON_STACK
#define __init_task_data __section(".data..init_task")
#else
#define __init_task_data /**/
#endif

init_task 생성 시 이 섹션 지시 매크로를 통해 .data..init_task 섹션에 포함시키도록 한다.

get_current()

arch/arm64/include/asm/current.h

/*
 * We don't use read_sysreg() as we want the compiler to cache the value where
 * possible.
 */

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;
}

현재 태스크를 반환한다.

커널(el1)에서는 사용하지 않는 sp_el0 레지스터를 사용하여 태스크를 가리키도록 하여 사용하고 있다.

set_task_stack_end_magic()

end_of_stack()

CONFIG_THREAD_INFO_IN_TASK 사용 케이스 (ARM64 must)

ARM32 에서 CONFIG_THREAD_INFO_IN_TASK를 사용하지 않는 케이스

kernel stack 구조

thread_union

task_struct 구조체 (처음 부분만)

thread_info – ARM

thread_info – ARM64

task_thread_info()

thread_union

INIT_TASK_DATA()

__init_task_data

get_current()

참고

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