Linux從頭學(xué)15：【頁(yè)目錄和頁(yè)表】-理論 實(shí)例 圖文的最完全、最接地氣詳解

作  者：道哥，10 年嵌入式開(kāi)發(fā)老兵，專(zhuān)注于：C/C 、嵌入式、Linux。

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目錄

• 頁(yè)表的拆分過(guò)程

  
  

• 頁(yè)目錄結(jié)構(gòu)

  
  

• 幾個(gè)相關(guān)的寄存器

  
  

• 加載用戶程序時(shí): 頁(yè)目錄、頁(yè)表的分配和填充過(guò)程

  
  

• 線性地址到物理地址的查找、計(jì)算實(shí)例

  
  

在x86系統(tǒng)中，為了能夠更加充分、靈活的使用物理內(nèi)存，把物理內(nèi)存按照4KB的單位進(jìn)行分頁(yè)。

然后通過(guò)中間的映射表，把連續(xù)的虛擬內(nèi)存空間，映射到離散的物理內(nèi)存空間。

映射表中的每一個(gè)表項(xiàng)，都指向一個(gè)物理頁(yè)的開(kāi)始地址。

但是這樣的映射表有一個(gè)明顯的缺點(diǎn)：映射表自身也是需保存在物理內(nèi)存中的。

在 32 位系統(tǒng)中，它使用了多達(dá)4MB的物理內(nèi)存空間(每個(gè)表項(xiàng)4個(gè)字節(jié)，一共有4G/4K個(gè)表項(xiàng))。

為了解決這個(gè)問(wèn)題，x86處理器使用了兩級(jí)轉(zhuǎn)換：頁(yè)目錄和頁(yè)表。

這篇文章，我們就從最基礎(chǔ)的底層計(jì)算過(guò)程入手，把這個(gè)最重要的內(nèi)存管理機(jī)制搞定，以后再學(xué)習(xí)更深入的知識(shí)點(diǎn)時(shí)，就會(huì)更容易理解了。

頁(yè)表

在一個(gè)32位的系統(tǒng)中，物理內(nèi)存的最大可表示空間就是0xFFFF_FFFF，也就是4GB。

雖然實(shí)際安裝的物理內(nèi)存可能遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒(méi)有這么大，但是在設(shè)計(jì)內(nèi)存管理機(jī)制的時(shí)候，還是需要按照最大的可尋址范圍來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)的。

按照一個(gè)物理頁(yè)4KB的單位來(lái)劃分，4GB空間可以分割為1024 * 1024個(gè)物理頁(yè):

在上一篇文章中，使用單一的映射表來(lái)指向這些物理頁(yè)，導(dǎo)致了映射表自身占據(jù)了太多的物理內(nèi)存空間。

一個(gè)用戶程序中定義的幾個(gè)段，可能實(shí)際上只使用了很小的空間，完全用不到 4 GB。

但是仍然需要為它分配多達(dá) 4MB 的物理內(nèi)存空間來(lái)保存這個(gè)映射表，很浪費(fèi)。

為了解決這個(gè)問(wèn)題，可以把這個(gè)單一映射表拆分成1024個(gè)體積更小的映射表：

1. 每一個(gè)映射表中，只有 1024 個(gè)表項(xiàng)，每一個(gè)表項(xiàng)仍然指向一個(gè)物理頁(yè)的起始地址;

   
   

2. 一共使用 1024 個(gè)這樣的映射表;

   
   

這樣一來(lái)，1024(每個(gè)表中的表項(xiàng)個(gè)數(shù)) * 1024(表的個(gè)數(shù))，仍然可以覆蓋4GB的物理內(nèi)存空間。

這里的每一個(gè)表，就稱作頁(yè)表，所以一共有1024個(gè)頁(yè)表。

一個(gè)頁(yè)表中一共有1024個(gè)表項(xiàng)，每一個(gè)頁(yè)表項(xiàng)占用4個(gè)字節(jié)，所以一個(gè)頁(yè)表就占用4KB的物理內(nèi)存空間，正好是一個(gè)物理頁(yè)的大小。

也許有的小伙伴就開(kāi)始算賬了：一個(gè)頁(yè)表自身占用4KB，那么1024個(gè)頁(yè)表一共就占用了4MB的物理內(nèi)存空間，仍然是很多啊？

是的，從總數(shù)上看是這樣，但是：一個(gè)應(yīng)用程序是不可能完全使用全部的 4GB 空間的，也許只要幾十個(gè)頁(yè)表就可以了。

例如：一個(gè)用戶程序的代碼段、數(shù)據(jù)段、棧段，一共就需要10 MB的空間，那么使用3個(gè)頁(yè)表就足夠了，加上頁(yè)目錄，一共需要16 KB的空間。

計(jì)算過(guò)程：

每一個(gè)頁(yè)表項(xiàng)指向一個(gè) 4KB 的物理頁(yè)，那么一個(gè)頁(yè)表中 1024 個(gè)頁(yè)表項(xiàng)，一共能覆蓋 4MB 的物理內(nèi)存;

那么 10MB 的程序，向上對(duì)齊取整之后(4MB 的倍數(shù)，就是 12 MB)，就需要 3 個(gè)頁(yè)表就可以了。

記住上圖中的一句話：一個(gè)頁(yè)表，可以覆蓋 4MB 的物理內(nèi)存空間(1024 * 4 KB)。

頁(yè)表中，每一個(gè)表項(xiàng)的格式如下：

注意下面的這幾個(gè)屬性：

P(Present):     存在位。1 - 物理頁(yè)存在; 0 - 物理頁(yè)不存在;

RW(Read/Write): 讀/寫(xiě)位。1 - 這個(gè)物理頁(yè)可讀可寫(xiě); 0 - 這個(gè)物理頁(yè)只可讀;

D(Dirty):       臟位。表示這個(gè)物理頁(yè)中的數(shù)據(jù)是否被寫(xiě)過(guò);

頁(yè)目錄

現(xiàn)在，每一個(gè)物理頁(yè)，都被一個(gè)頁(yè)表中的一個(gè)表項(xiàng)來(lái)指向了，那么這1024個(gè)頁(yè)表的地址，應(yīng)該怎么來(lái)管理呢？

答案是：頁(yè)目錄表！

顧名思義：在頁(yè)目錄中，每一個(gè)表項(xiàng)指向一個(gè)頁(yè)表的開(kāi)始地址(物理地址)。

操作系統(tǒng)在加載用戶程序的時(shí)候，不僅僅需要分配物理內(nèi)存，來(lái)存放程序的內(nèi)容;

而且還需要分配物理內(nèi)存，用來(lái)保存程序的頁(yè)目錄和頁(yè)表。

再來(lái)算算賬：

剛才說(shuō)過(guò)：每一個(gè)頁(yè)表覆蓋4MB的內(nèi)存空間，那么頁(yè)目錄中一共有1024個(gè)表項(xiàng)，指向1024個(gè)頁(yè)表的物理地址。

那么頁(yè)目錄能覆蓋的內(nèi)存空間就是1024 * 4MB，也就是4GB，正好是32位地址的最大尋址范圍。

頁(yè)目錄中，每一個(gè)表項(xiàng)的格式如下：

其中的屬性字段，與頁(yè)表中的屬性類(lèi)似，只不過(guò)它的描述對(duì)象是頁(yè)表。

還有一點(diǎn)：每一個(gè)用戶程序都有自己的頁(yè)目錄和頁(yè)表！下文有詳細(xì)說(shuō)明。

相關(guān)寄存器

現(xiàn)在，所有頁(yè)表的物理地址被頁(yè)目錄表項(xiàng)指向了，那么頁(yè)目錄的物理地址，處理器是怎么知道的呢？

答案就是：CR3 寄存器，也叫做:PDBR(Page Table Base Register)。

這個(gè)寄存器中，保存了當(dāng)前正在執(zhí)行的那個(gè)任務(wù)的頁(yè)目錄地址。

每個(gè)任務(wù)(程序)都有自己的頁(yè)目錄和頁(yè)表，頁(yè)目錄表的地址被記錄在任務(wù)的TSS段中。

當(dāng)操作系統(tǒng)調(diào)度任務(wù)的時(shí)候，處理器就會(huì)找到即將執(zhí)行的新任務(wù)的TSS段信息，然后把新任務(wù)的頁(yè)目錄開(kāi)始地址更新到CR3寄存器中。

當(dāng)新任務(wù)的指令開(kāi)始被執(zhí)行時(shí)，處理器在獲取指令、操作數(shù)據(jù)時(shí)，操作的是線性地址。

頁(yè)處理單元就會(huì)從CR3寄存器中保存的頁(yè)目錄表開(kāi)始，把這個(gè)線性地址最終轉(zhuǎn)換成物理地址。

當(dāng)然，處理器中還有一個(gè)快表，用來(lái)加快從線性地址到物理地址的轉(zhuǎn)換過(guò)程。

CR3寄存器的格式如下：

順便把官網(wǎng)上的其他幾個(gè)控制寄存器都貼出來(lái)：

其中，CR0寄存器的最高位PG，就是開(kāi)啟頁(yè)處理單元的開(kāi)關(guān)。

也即是說(shuō)：

當(dāng)系統(tǒng)上電之后，剛開(kāi)始的地址尋址方式一直是 [段:偏移地址] 的方式。

當(dāng)啟動(dòng)代碼準(zhǔn)備好頁(yè)目錄和頁(yè)表之后，就可以設(shè)置 CR0.PG = 1。

此時(shí)，處理器中的頁(yè)處理單元就開(kāi)始工作了：面對(duì)任何一個(gè)線性地址，都要經(jīng)過(guò)頁(yè)處理單元之后，才得到一個(gè)物理地址。

加載用戶程序時(shí): 物理頁(yè)分配過(guò)程

在之前的文章中，介紹過(guò)一個(gè)用戶程序被操作系統(tǒng)加載的全過(guò)程，簡(jiǎn)述如下：

1. 讀取程序 header 信息，解析出程序的總長(zhǎng)度，從任務(wù)自己的虛擬內(nèi)存中分配一塊足夠的連續(xù)空間;

   
   

2. 分配一個(gè)空閑物理頁(yè)，用作程序的頁(yè)目錄，頁(yè)目錄的地址會(huì)記錄在稍后創(chuàng)建的 TSS 段中;

   
   

3. 使用虛擬內(nèi)存中的線性地址，分配一個(gè)物理頁(yè)(4 KB)，登記到頁(yè)目錄和頁(yè)表中;

   
   

4. 從硬盤(pán)上讀取 8 個(gè)扇區(qū)的數(shù)據(jù)(每個(gè)扇區(qū) 512 字節(jié))，存放到剛才分配的物理頁(yè)中;

   
   

5. 檢查程序內(nèi)容是否讀取完畢：是-進(jìn)入第 6 步；否-返回到第 3 步;

   
   

6. 為用戶程序創(chuàng)建一些必要的內(nèi)核數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，比如：TSS、TCB/PCB 等等;

   
   

7. 為用戶程序創(chuàng)建 LDT，并且在其中創(chuàng)建每一個(gè)段描述符;

   
   

8. 把操作系統(tǒng)的頁(yè)目錄中高端地址部分的表項(xiàng)，復(fù)制給用戶程序的頁(yè)目錄表。

   
   

這樣的話，所有用戶程序的頁(yè)目錄中，高端地址的表項(xiàng)都指向相同的頁(yè)表地址，就達(dá)到了共享“操作系統(tǒng)空間”的目的。

這里主要聊一下第3步，假設(shè)用戶程序文件在硬盤(pán)上的長(zhǎng)度是20 MB，電腦中實(shí)際安裝的物理內(nèi)存是1 GB。

可以先計(jì)算一下：頁(yè)目錄中，每一個(gè)表項(xiàng)覆蓋的空間是 4 MB，那么 20 MB的數(shù)據(jù)，需要 5 個(gè)表項(xiàng)就可以了。

在初始狀態(tài)，頁(yè)目錄中的所有表項(xiàng)都是空的，其中的P位都是為0，表示頁(yè)表不存在。

操作系統(tǒng)首先從虛擬內(nèi)存中，分配一塊20 MB的空間，假設(shè)從1 GB（0x4000_0000）的地址處開(kāi)始吧，這個(gè)地址是線性地址。

也就是說(shuō)把應(yīng)用程序的文件讀取到內(nèi)存中，從地址0x4000_0000開(kāi)始存放，向高地址方向增長(zhǎng)。

注意：在“平坦”型分段模型下，線性地址等于虛擬地址。

0x4000_0000 = 0100_0000_0000_0000___0000_0000_0000_0000

前10位表示該線性地址在頁(yè)目錄中的索引，中間10位表示頁(yè)表中的索引，最后12位表示物理頁(yè)中的偏移地址。

因此，前10位就是0100_0000_00，表示這個(gè)線性地址位于頁(yè)目錄中的第256個(gè)表項(xiàng)：

操作系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)這個(gè)表項(xiàng)中為空，沒(méi)有指向任何一個(gè)頁(yè)表。

于是就從物理內(nèi)存中，找一個(gè)空閑的物理頁(yè)，用作頁(yè)目錄中第256個(gè)表項(xiàng)指向的頁(yè)表。

注意：這個(gè)物理頁(yè)是用作頁(yè)表，而不是用作存儲(chǔ)用戶程序文件。

假設(shè)在物理內(nèi)存上128 MB (0x0800_0000)的地址處，找到一個(gè)空閑的物理頁(yè)，用作這個(gè)頁(yè)表。

把頁(yè)表中的1024個(gè)表項(xiàng)全部清空，并且把頁(yè)表的物理地址0x0800_0000，登記在頁(yè)目錄中的第256個(gè)表項(xiàng)中：0x08000（上圖黃色部分）。

為什么不是0x0800_0000？

因?yàn)橐粋€(gè)物理頁(yè)的地址一定是4KB對(duì)齊的(最后的12位全部為0)，所以頁(yè)目錄的表項(xiàng)中只需要記錄頁(yè)表地址的高 20 位即可。

現(xiàn)在，頁(yè)表也有了，下面就是分配一個(gè)物理頁(yè)來(lái)存儲(chǔ)程序的內(nèi)容。

假設(shè)在剛才那個(gè)物理頁(yè)(用作頁(yè)表的那個(gè))的上面，又找到一個(gè)空閑的物理頁(yè)，地址是：0x0800_1000。

此時(shí)，這個(gè)用于存放程序內(nèi)容的物理頁(yè)的地址，就需要記錄在頁(yè)表的一個(gè)表項(xiàng)中了。

那么應(yīng)該記錄在頁(yè)表中的什么位置呢？也就是應(yīng)該登記在哪一個(gè)表項(xiàng)中呢？

需要根據(jù)線性地址的中間 10 位來(lái)確定：

0x4000_0000 = 0100_0000_0000_0000___0000_0000_0000_0000

中間10位的全部是0，說(shuō)明索引值就是0，也就是說(shuō)頁(yè)表中的第0個(gè)表項(xiàng)，保存這個(gè)物理頁(yè)的地址，如下圖所示：

一個(gè)物理頁(yè)的地址一定是4KB對(duì)齊的(最后的12位全部為0)，所以只需要記錄物理頁(yè)地址的高 20 位即可。

用于存儲(chǔ)程序文件內(nèi)容的物理頁(yè)分配好了，下面就開(kāi)始從硬盤(pán)中讀取程序文件的內(nèi)容了。

一個(gè)物理頁(yè)的大小是4 KB，硬盤(pán)上一個(gè)扇區(qū)的大小是512 B，那么從硬盤(pán)上連續(xù)讀取8個(gè)扇區(qū)的數(shù)據(jù)就可以把一個(gè)物理頁(yè)寫(xiě)滿。

剛才已經(jīng)假設(shè)：用戶程序文件在硬盤(pán)上的長(zhǎng)度是20 MB。

當(dāng)讀取了一個(gè)物理頁(yè)的內(nèi)容后，通過(guò)計(jì)算發(fā)現(xiàn)用戶程序內(nèi)容還沒(méi)有讀取完，于是繼續(xù)重復(fù)以上流程。

1. 線性地址增加 4KB：0x4000_1000 = 0100_0000_0000_0000___0001_0000_0000_0000;

   
   

2. 前 10 位沒(méi)有變，仍然是頁(yè)目錄中的第 256 個(gè)表項(xiàng)，發(fā)現(xiàn)這個(gè)表項(xiàng)指向的頁(yè)表已經(jīng)存在了，于是就不用再分配物理頁(yè)用作頁(yè)表了;

   
   

3. 分配一個(gè)空閑物理頁(yè)，用于存放程序內(nèi)容，假設(shè)在 0x0100_4000處找到一個(gè)，把這個(gè)地址登記在頁(yè)表中;

   
   

此時(shí)，線性地址的中間 10 位的索引值是 1，所以登記在頁(yè)表中的第 1 個(gè)表項(xiàng)。

1. 從硬盤(pán)上讀取 8 個(gè)扇區(qū)的數(shù)據(jù)，寫(xiě)入這個(gè)物理頁(yè);

因?yàn)?span>頁(yè)目錄中一個(gè)表項(xiàng)所覆蓋的范圍是4 MB(也就是一個(gè)頁(yè)表中1024個(gè)表項(xiàng)所指向的物理頁(yè)空間的總和)。

所以當(dāng)讀取了4 MB的程序內(nèi)容之后，這個(gè)頁(yè)表中的所有表項(xiàng)就被填滿了。

此時(shí)，讀取的程序內(nèi)容所占用的【線性地址】空間是：0x4000_0000 ~ 0x403F_FFFF。

下面再繼續(xù)讀取新內(nèi)容時(shí)，就從0x4040_0000這個(gè)線性地址處開(kāi)始存放，讀取過(guò)程與上面都是一樣的：

1. 確定頁(yè)目錄表項(xiàng)：

0x4040_0000 = 0100_0000_0100_0000___0000_0000_0000_0000，前 10 位的索引值是 257;

1. 發(fā)現(xiàn) 257 這個(gè)表項(xiàng)為空，于是分配一個(gè)空閑的物理頁(yè)，用作頁(yè)表;

   
   

2. 分配一個(gè)物理頁(yè)，用作存儲(chǔ)程序文件的內(nèi)容，并把這個(gè)物理頁(yè)的地址記錄在頁(yè)表中;

   
   

線性地址 0x4040_0000 的中間 10 位的索引值是 0，所以登記在頁(yè)表的第一個(gè)表項(xiàng)中;

后面的過(guò)程就不再嘮叨了，一樣一樣的~~

最終的頁(yè)目錄和頁(yè)表的布局，類(lèi)似下面這張圖：

線性地址到物理地址的變換過(guò)程

如果理解了上一個(gè)主題的內(nèi)容，那么部分應(yīng)該就可以不用再看了，因?yàn)樗鼈z是相反的過(guò)程，而且查找過(guò)程更簡(jiǎn)單一些。

仍然繼續(xù)我們的假設(shè)：

1. 用戶程序的長(zhǎng)度是 20 MB，存放在虛擬內(nèi)存 0x4000_0000 ~ 0x4140_0000 (線性地址)這段空間內(nèi);

   
   

2. 代碼段的長(zhǎng)度是 8 MB，從虛擬內(nèi)存的 0x40C0_0000 處開(kāi)始存放;

   
   

也就是如下圖所示：

現(xiàn)在，用戶程序的內(nèi)容已經(jīng)全部讀取到內(nèi)存中了，頁(yè)目錄、頁(yè)表全部都安排妥當(dāng)了。

在頁(yè)目錄表中，一共有 5 個(gè)表項(xiàng)，正好表示這20MB的地址空間。

其中，8 MB 的代碼所存儲(chǔ)的物理頁(yè)地址，登記在頁(yè)目錄表中的 259 和 260 這兩個(gè)表項(xiàng)中(上圖右側(cè)的綠色表項(xiàng))。

目標(biāo)：處理器在執(zhí)行代碼時(shí)，遇到一個(gè)線性地址0x4100_8800，頁(yè)處理單元需要把它轉(zhuǎn)換得到物理地址。

0x4100_8800 = 0100_0001_0000_0000___1000_1000_0000_0000

首先，根據(jù)線性地址的前 10 位(0100_0001_00)，得到它在頁(yè)目錄中的索引值為260。

這個(gè)表項(xiàng)中記錄的頁(yè)表地址為0x08040，因?yàn)轫?yè)表地址的低12位一定是bit0，因此這個(gè)頁(yè)表的地址就是0x0804_0000。

頁(yè)目錄表的開(kāi)始地址，肯定是從 CR3 寄存器獲取的;

然后，根據(jù)線性地址的中間 10 位(00_0000___1000)，得到頁(yè)表中的索引值為8。

這個(gè)表項(xiàng)中記錄的物理頁(yè)地址為0x02004，補(bǔ)上低位的12個(gè)bit0，就得到物理頁(yè)的開(kāi)始地址是0x0200_4000。

最后，根據(jù)線性地址的最后 12 位(1000_0000_0000)，得到它在物理頁(yè)的偏移量2048。

也就是說(shuō)：從物理頁(yè)的開(kāi)始地址(0x0200_4000)，偏移2048個(gè)字節(jié)的地方，就是這個(gè)線性地址(0x4100_8080)對(duì)應(yīng)的物理地址(0x0200_4800)。

大功告成！

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