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作為開源領(lǐng)域更受歡迎的操作系統(tǒng)之一，Linux內(nèi)核已經(jīng)成為眾多IT從業(yè)者和開發(fā)者的首選選擇。其中，頁表是Linux內(nèi)核中處理內(nèi)存管理的核心部分之一。Linux內(nèi)核中的頁表可以根據(jù)虛擬地址獲取對應(yīng)的物理地址，這個(gè)過程中牽涉到分頁、地址轉(zhuǎn)換等操作。那么，本文將深入探討，以及其中涉及的相關(guān)操作。
創(chuàng)新互聯(lián)2013年開創(chuàng)至今，是專業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)服務(wù)公司，擁有項(xiàng)目成都網(wǎng)站建設(shè)、網(wǎng)站設(shè)計(jì)網(wǎng)站策劃，項(xiàng)目實(shí)施與項(xiàng)目整合能力。我們以讓每一個(gè)夢想脫穎而出為使命，1280元溫州做網(wǎng)站,已為上家服務(wù),為溫州各地企業(yè)和個(gè)人服務(wù),聯(lián)系電話:18980820575
一、頁表是什么？
在計(jì)算機(jī)中，內(nèi)存被劃分為很多固定大小的塊，成為”頁面”（Page）。每個(gè)頁面的大小通常為4KB，也就是說，每個(gè)頁面可以存儲4*1024個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)。計(jì)算機(jī)中的程序在運(yùn)行時(shí)，需要加載到內(nèi)存中才能執(zhí)行。以C語言編寫的程序，編譯成可執(zhí)行文件后，為了方便加載和管理，內(nèi)存中的數(shù)據(jù)和代碼會被分割成若干個(gè)固定大小的塊，每個(gè)塊就是一個(gè)頁面。
頁面不是獨(dú)立存在的，而是需要組成一個(gè)頁表。頁表是一種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，能夠?qū)⑻摂M地址映射成物理地址。虛擬地址是程序使用的地址，而物理地址是實(shí)際存儲數(shù)據(jù)的地址。當(dāng)程序需要訪問內(nèi)存中的數(shù)據(jù)時(shí)，Linux內(nèi)核將根據(jù)虛擬地址檢索頁表，從而找到對應(yīng)的物理地址。因此，頁表是指內(nèi)核中一種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，其中存儲了虛擬地址與物理地址的映射關(guān)系，方便程序在內(nèi)存中讀取和存儲數(shù)據(jù)。
二、Linux內(nèi)核中如何創(chuàng)建頁表？
在Linux中，內(nèi)核負(fù)責(zé)管理內(nèi)存分配和釋放，而創(chuàng)建頁表就是其中必不可少的操作之一。下面將從分頁機(jī)制、地址轉(zhuǎn)換等角度，深入探討。
（一）分頁機(jī)制
Linux內(nèi)核采用的是分頁機(jī)制，將物理內(nèi)存劃分成固定大小的塊，即頁面，其大小為4KB。為了方便管理，由內(nèi)核進(jìn)行管理，其中包括將每個(gè)頁面與一個(gè)頁框?qū)?yīng)起來。頁框是物理內(nèi)存中的一個(gè)固定大小的塊，其大小與頁面相同，有一個(gè)長度為32位的標(biāo)識符。當(dāng)程序需要從內(nèi)存中讀取數(shù)據(jù)時(shí)，Linux內(nèi)核根據(jù)頁面的大小將數(shù)據(jù)劃分成多個(gè)頁面，然后將這些頁面映射到物理地址中去。這樣就可以更好地利用物理內(nèi)存。
（二）地址轉(zhuǎn)換
Linux內(nèi)核中創(chuàng)建頁表還涉及到地址轉(zhuǎn)換的操作。在Linux中，計(jì)算機(jī)分配給每個(gè)進(jìn)程的虛擬地址空間是相同的，而不同進(jìn)程之間的虛擬地址是不同的。進(jìn)程在執(zhí)行過程中，就是將自己的虛擬地址空間映射到物理地址空間中去。操作系統(tǒng)管理著一張全局的頁表，每次進(jìn)程發(fā)生虛擬地址轉(zhuǎn)換時(shí)，都需要在這張頁表中查找對應(yīng)的物理地址映射。
地址轉(zhuǎn)換的過程如下：
1、16位的段選擇符，選擇要使用的段描述符。
2、根據(jù)段描述符的內(nèi)容找到段的基址（段基址+偏移量，最終形成一個(gè)32位的虛擬地址）。
3、將虛擬地址中的高10位（前22位）作為索引，找到頁目錄表中對應(yīng)項(xiàng)的地址。
4、用虛擬地址中間10位（位于22到31的位置）作為索引，找到頁表中對應(yīng)的頁表?xiàng)l目。
5、使用虛擬地址的最后12位（位于0到11）作為索引，找到頁表?xiàng)l目的對應(yīng)頁面，將其物理地址返回。
（三）物理、邏輯地址空間劃分
Linux中將物理內(nèi)存分成3個(gè)區(qū)域，即內(nèi)核空間、DMA空間以及進(jìn)程地址空間。其中，內(nèi)核空間中包含的內(nèi)存劃分給內(nèi)核使用，DMA空間提供訪問設(shè)備的內(nèi)存地址，進(jìn)程地址空間為用戶進(jìn)程提供的內(nèi)存空間。物理內(nèi)存區(qū)間的具體劃分如下：
1、00000000 – 9fffffff：用戶空間，內(nèi)存地址從 0 開始。
2、a0000000 – bfffffff：內(nèi)核 I/O 映射空間，預(yù)留了一段虛擬地址區(qū)域，對應(yīng)物理地址的范圍是 a0000000 到 bfffffff。這段區(qū)域的內(nèi)存訪問不通過 TLB。映射關(guān)系通過 ioremap 函數(shù)建立。ioremap_nocache 用于不能被 CPU cache 映射的區(qū)域。除了CPU之外，沒有任何硬件會通過訪問這個(gè)區(qū)域獲取信息。
3、c0000000 – c03fffff：內(nèi)核虛擬地址空間，即內(nèi)核代碼，全局變量等。從此處開始的區(qū)間是內(nèi)核的虛擬地址空間，內(nèi)核的代碼、全局?jǐn)?shù)據(jù)以及內(nèi)核映射的一些設(shè)備內(nèi)存等都位于這個(gè)地址空間內(nèi)。由于內(nèi)核可以訪問物理內(nèi)存，所以內(nèi)核也可以從物理地址空間中查找和管理內(nèi)存。簡單下來，內(nèi)核虛擬地址空間給內(nèi)核使用，且內(nèi)核和進(jìn)程地址空間是隔離的。
（四）頁表管理
頁表是對程序虛擬地址和物理地址之間互相映射關(guān)系的描述，為了管理這些映射關(guān)系，Linux內(nèi)核需要建立頁目錄表和頁表。頁目錄表是一種存放頁表?xiàng)l目指針的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，頁表?xiàng)l目包含了虛擬地址與物理地址之間的映射關(guān)系。
Linux中頁目錄表對應(yīng)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)為pgd_t，頁表?xiàng)l目對應(yīng)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)為pte_t。Linux內(nèi)核進(jìn)行頁表的創(chuàng)建是在初始化內(nèi)存管理時(shí)完成的，在這個(gè)過程中，內(nèi)核會創(chuàng)建一張全局的也到表，用于記錄分配給每個(gè)進(jìn)程的虛擬地址空間。同時(shí)，內(nèi)核中還會維護(hù)一組 FREE_PAGE 內(nèi)存池，用于申請和釋放頁面。申請頁面的函數(shù)名是get_free_page，而釋放頁面的函數(shù)名是put_page。
三、
通過以上的介紹，我們可以了解到Linux內(nèi)核中如何創(chuàng)建頁表。內(nèi)核采用了分頁機(jī)制，在頁面和頁框之間進(jìn)行映射，同時(shí)，頁表也由頁目錄表和頁表?xiàng)l目組成。當(dāng)進(jìn)程需要訪問內(nèi)存中的數(shù)據(jù)時(shí)，內(nèi)核會在頁表中查找虛擬地址對應(yīng)的物理地址，根據(jù)映射關(guān)系獲取對應(yīng)數(shù)據(jù)。Linux內(nèi)核管理內(nèi)存，不僅能夠更好地利用系統(tǒng)資源，同時(shí)也很好地保證了程序的安全性和穩(wěn)定性。
相關(guān)問題拓展閱讀：
- 嵌入式中l(wèi)inux內(nèi)核在內(nèi)存中運(yùn)行地址0x到內(nèi)存起始運(yùn)行地址0x中的（0x8000=32k）怎么回事？
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/* 創(chuàng)建核心頁表 */
bl __create_page_tables
Linux進(jìn)程內(nèi)存如何管理？
Linux內(nèi)存管理
摘要：本章首先以應(yīng)用程序開發(fā)者的角度審視Linux的進(jìn)程內(nèi)存管理，在此基礎(chǔ)上逐步深入到內(nèi)核中討論系統(tǒng)物理內(nèi)存管理和內(nèi)核內(nèi)存的使用方法。力求從外到內(nèi)、水到渠成地引導(dǎo)網(wǎng)友分析Linux的內(nèi)存管理與使用。在本章最后，我們給出一個(gè)內(nèi)存映射的實(shí)例，幫助網(wǎng)友們理解內(nèi)核內(nèi)存管理與用戶內(nèi)存管理之間的關(guān)系，希望大家最終能駕馭Linux內(nèi)存管理。
前言
內(nèi)存管理一向是所有操作系統(tǒng)書籍不惜筆墨重點(diǎn)討論的內(nèi)容，無論市面上或是網(wǎng)上都充斥著大量涉及內(nèi)存管理的教材和資料。因此，我們這里所要寫的Linux內(nèi)存管理采取避重就輕的策略，從橋弊理論層面就不去班門弄斧，貽笑大方了。我們最想做的和可能做到的是從開發(fā)者的角度談?wù)剬?nèi)存管理的理解，最終目的是把我們在內(nèi)核開發(fā)中使用內(nèi)存的經(jīng)驗(yàn)和對Linux內(nèi)存管理的認(rèn)識與大家共享。
當(dāng)然，這其中我們也會涉及到一些諸如段頁等內(nèi)存管理的基本理論，但我們的目的不是為了強(qiáng)調(diào)理論，而是為了指導(dǎo)理解開發(fā)中的實(shí)踐，橘消螞所以僅僅點(diǎn)到為止，不做深究。
遵循“理論來源于實(shí)踐”的“教條”，我們先不必一下子就鉆入內(nèi)核里去看系統(tǒng)內(nèi)存到底是如何管理，那樣往往會讓你陷入似懂非懂的窘境（我當(dāng)年就犯了這個(gè)錯(cuò)誤?。Ｋ愿玫姆绞绞窍葟耐獠浚ㄓ脩艟幊谭懂牐﹣碛^察進(jìn)程如何使用內(nèi)存，等到大家對內(nèi)存的使用有了較直觀的認(rèn)識后，再深入到內(nèi)核中去學(xué)習(xí)內(nèi)存如何被管理等理論知識。最后再通過一個(gè)實(shí)例編程將所講內(nèi)容融會貫通。
進(jìn)程與內(nèi)存
進(jìn)程如何使用內(nèi)存？
毫無疑問，所有進(jìn)程（執(zhí)行的程序）都必須占用一定數(shù)量的內(nèi)存，它或是用來存放從磁盤載入的程序代碼，或是存放取自用戶輸入的數(shù)據(jù)等等。不過進(jìn)程對這些內(nèi)存的管理方式因內(nèi)存用途不一而不盡相同，有些內(nèi)存是事先靜態(tài)分配和統(tǒng)一回收的，而有些卻是按需要?jiǎng)討B(tài)分配和回收的。
對任何一個(gè)普通進(jìn)程來講，它都會涉及到5種不同的數(shù)據(jù)段。稍有編程知識的朋友都能想到這幾個(gè)數(shù)據(jù)段中包含有“程序代碼段”、“程序數(shù)據(jù)段”、“程序堆棧段”等。不錯(cuò)，這幾種數(shù)據(jù)段都在其中，但除了以上幾種數(shù)據(jù)段之外，進(jìn)程還另外包含兩種數(shù)據(jù)段。下面我們來簡單歸納一下進(jìn)程對應(yīng)的內(nèi)存空間中所包含的5種不同的數(shù)據(jù)區(qū)。
*代碼段*：代碼段是用來存放可執(zhí)行文件的操作指令，也就是說是它是可執(zhí)行程序在內(nèi)存中的鏡像。代碼段需要防止在運(yùn)行時(shí)被非法修改，所以只準(zhǔn)許讀取操作，而不允許寫入（修改）操作——它是不可寫的。
*數(shù)據(jù)段*：數(shù)據(jù)段用來存放可執(zhí)行文件中已初始化圓埋全局變量，換句話說就是存放程序靜態(tài)分配的變量和全局變量。
BSS*段***：BSS段包含了程序中未初始化的全局變量，在內(nèi)存中 bss段全部置零。
堆（heap*）*：堆是用于存放進(jìn)程運(yùn)行中被動(dòng)態(tài)分配的內(nèi)存段，它的大小并不固定，可動(dòng)態(tài)擴(kuò)張或縮減。當(dāng)進(jìn)程調(diào)用malloc等函數(shù)分配內(nèi)存時(shí)，新分配的內(nèi)存就被動(dòng)態(tài)添加到堆上（堆被擴(kuò)張）；當(dāng)利用free等函數(shù)釋放內(nèi)存時(shí)，被釋放的內(nèi)存從堆中被剔除（堆被縮減）
*棧*：棧是用戶存放程序臨時(shí)創(chuàng)建的局部變量，也就是說我們函數(shù)括弧“{}”中定義的變量（但不包括static聲明的變量，static意味著在數(shù)據(jù)段中存放變量）。除此以外，在函數(shù)被調(diào)用時(shí)，其參數(shù)也會被壓入發(fā)起調(diào)用的進(jìn)程棧中，并且待到調(diào)用結(jié)束后，函數(shù)的返回值也會被存放回棧中。由于棧的先進(jìn)先出特點(diǎn)，所以棧特別方便用來保存/恢復(fù)調(diào)用現(xiàn)場。從這個(gè)意義上講，我們可以把堆?？闯梢粋€(gè)寄存、交換臨時(shí)數(shù)據(jù)的內(nèi)存區(qū)。
進(jìn)程如何組織這些區(qū)域？
上述幾種內(nèi)存區(qū)域中數(shù)據(jù)段、BSS和堆通常是被連續(xù)存儲的——內(nèi)存位置上是連續(xù)的，而代碼段和棧往往會被獨(dú)立存放。有趣的是，堆和棧兩個(gè)區(qū)域關(guān)系很“曖昧”，他們一個(gè)向下“長”（i386體系結(jié)構(gòu)中棧向下、堆向上），一個(gè)向上“長”，相對而生。但你不必?fù)?dān)心他們會碰頭，因?yàn)樗麄冎g間隔很大（到底大到多少，你可以從下面的例子程序計(jì)算一下），絕少有機(jī)會能碰到一起。
Linux系統(tǒng)提供了復(fù)雜的存儲管理系統(tǒng)，使得進(jìn)程所能訪問的內(nèi)存達(dá)到4GB。在Linux系統(tǒng)中，進(jìn)程的4GB內(nèi)存空滑物間被分為兩個(gè)部分—顫讓掘—用戶空間與內(nèi)核空間。用戶空間的地址一般分布為0~3GB(即PAGE_OFFSET，在Ox86中它等于OxC），這樣，剩下的3~4GB為內(nèi)核空間，用戶進(jìn)程通常只能訪問用戶空間的虛擬地址，不能訪問內(nèi)核空間的虛擬地址。用戶進(jìn)程只有通過系統(tǒng)調(diào)用（代表用戶進(jìn)程在內(nèi)核態(tài)執(zhí)行）等方式才可以訪問到內(nèi)核空間。每個(gè)進(jìn)程的用戶空間都是完全獨(dú)立、互不相干的，用戶進(jìn)程各自有不同的頁表。而內(nèi)核空間是由內(nèi)核負(fù)責(zé)映射，它并不會跟著進(jìn)程改變，是固定的。內(nèi)核空間的虛擬地址到物理地址映射是被所有進(jìn)程共享的，內(nèi)核的虛擬空間獨(dú)立于其他程序。Linux中1GB的內(nèi)核地址空間又被劃分為物理內(nèi)存映射區(qū)、虛擬內(nèi)存分配區(qū)、高端頁面映射區(qū)、專用頁面映射區(qū)和系統(tǒng)保留映射區(qū)這幾個(gè)區(qū)域。對于x86系統(tǒng)而言，一般情況下，物理內(nèi)存映射區(qū)更大長度為896MB，系統(tǒng)的物理內(nèi)存被順序映射在內(nèi)核空間的這個(gè)區(qū)域中。當(dāng)系統(tǒng)物理內(nèi)存大于896MB時(shí)，超過物理內(nèi)存映射區(qū)的那部分內(nèi)存稱為高端內(nèi)存（而未超過物理內(nèi)存映射區(qū)的內(nèi)存通常被稱為常規(guī)內(nèi)存），內(nèi)核在存取高端內(nèi)存時(shí)必須將它們映射到高端頁面映射區(qū)。Linux保留內(nèi)核空間最頂部FIXADDR_TOP~4GB的區(qū)域作為保留區(qū)。當(dāng)系統(tǒng)物理內(nèi)存超過4GB時(shí)，必須使用CPU的擴(kuò)展分頁(PAE）模式所提供的64位頁目錄項(xiàng)才能存取到4GB以上的物理內(nèi)存，這需要CPU的支持。加入了PAE功能的Intel Pentium Pro及以后的CPU允許內(nèi)存更大可配置到64GB，它們茄核具備36位物理地址空間尋址能力。由此可見，對于32位的x86而言，在3~4GB之間的內(nèi)核空間中，從低地址到高地址依次為:物理內(nèi)存映射區(qū)隔離帶vmalloc虛擬內(nèi)存分配器區(qū)隔離帶高端內(nèi)存映射區(qū)專用頁面映射區(qū)保留區(qū)。
這個(gè)不是1-2句仔液粗話就表達(dá)明白的。可以看下我寫的相關(guān)書籍。
第9章 Linux進(jìn)程管理命令 / 298
9.1ps：查看進(jìn)程 / 298
9.2pstree：顯示進(jìn)程狀態(tài)樹 / 305
9.3pgrep：查找匹配條件的進(jìn)程 / 306
9.4kill：終止進(jìn)程 / 307
9.5killall：通過進(jìn)程名終止進(jìn)程 / 310
9.6pkill：通過進(jìn)程名終止進(jìn)程 / 311
9.7top：實(shí)時(shí)顯示系統(tǒng)中各個(gè)進(jìn)程的資源占用狀況 / 313
9.8nice：調(diào)整程序運(yùn)行時(shí)的優(yōu)先級 / 320
9.9renice：調(diào)整運(yùn)行中的進(jìn)程的優(yōu)先級 / 323
9.10nohup：用戶退出系統(tǒng)進(jìn)程埋帶繼續(xù)工作 / 324
9.11strace：跟蹤進(jìn)程的系統(tǒng)調(diào)用 / 325
9.12ltrace：跟蹤進(jìn)程調(diào)用庫念鎮(zhèn)函數(shù) / 332
9.13runlevel：輸出當(dāng)前運(yùn)行級別 / 334
9.14init：初始化Linux進(jìn)程 / 335
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