研究Linux系统的页目录表

1. 了解Linux系统的页目录表

Linux操作系统中的页目录表是一种用来管理内存的数据结构,它用于将虚拟地址映射到物理地址。在Linux中,每个进程都有自己独立的页目录表,用于管理该进程的虚拟内存。页目录表被组织成一个树状结构,由一个由多个页目录项组成的页目录构成,每个页目录项又包含多个页表项。

Linux系统的页目录表的设计与x86架构相关,本文将主要介绍64位x86架构上的页目录表。

1.1 页目录表的结构

在64位x86架构上,页目录表由多个页目录项组成,每个页目录项的大小为8字节。每个页目录项对应一个虚拟地址范围,也就是说它管理该虚拟地址范围内的内存映射关系。

Linux系统中,页目录表的树状结构可以有4级,每一级都使用相同的页目录项格式。每个页目录项的具体格式如下:

typedef struct {

uint64_t p : 1;

uint64_t rw : 1;

uint64_t us : 1;

uint64_t pwt : 1;

uint64_t pcd : 1;

uint64_t a : 1;

uint64_t ign : 1;

uint64_t ps : 1;

uint64_t avail : 3;

uint64_t base : 40;

uint64_t avail1 : 11;

uint64_t nx : 1;

} pgd_t;

其中,每个字段的含义如下:

p - 表示该页目录项是否存在,若存在则置1,否则置0。

rw - 表示对该页目录项对应的页表的读写权限,若可写则置1,否则置0。

us - 表示对该页目录项对应的页表的用户态访问权限,若可访问则置1,否则置0。

pwt - 表示页表中的页是否使用高速缓存(write-through cache)优化,若使用优化则置1,否则置0。

pcd - 表示页表中的页是否可以被高速缓存禁用,若可以禁用则置1,否则置0。

a - 表示该页目录项对应的页表是否已被访问过,若已访问过则置1,否则置0。

ps - 表示该页目录项处理的页表是普通页表还是大页表,若为大页表则置1,否则置0。

base - 表示该页目录项所对应的页表的物理地址。

nx - 表示页表是否支持不可执行,若支持则置1,否则置0。

通过页目录表的树状结构,Linux系统能够将大的虚拟地址空间划分为多个小的映射区域,提高内存管理的效率。

1.2 页目录表的访问和维护

在Linux系统中,页目录表的访问和维护主要由操作系统内核负责。操作系统内核会根据进程的内存分配情况来动态地维护页目录表的结构,以及根据需要进行内存页的分配和回收操作。

为了提高内存访问的效率,Linux系统会使用一种叫作"页表预读"的技术,即提前将需要访问的页表项从内存中加载到高速缓存中,以加快后续的内存访问速度。

除了在内核层面进行的页目录表维护操作外,用户态程序也可以通过系统调用接口来间接地访问和修改进程的页目录表。通过这种方式,用户程序能够获取自己的虚拟地址空间的映射关系,并且可以在一定范围内修改这些映射关系。

2. 示例代码分析

2.1 页目录表的创建

pgd_t *pgd_create(void) {

pgd_t *pgd = kmalloc(sizeof(pgd_t));

if (pgd == NULL) {

return NULL;

}

memset(pgd, 0, sizeof(pgd_t));

return pgd;

}

上述代码片段展示了一个简单的创建页目录表的函数pgd_create。在函数内部,通过kmalloc分配了一个pgd_t类型的内存空间,并使用memset将该内存空间初始化为0。返回值为创建的页目录表。

2.2 页目录表的访问和修改

void pgd_add_entry(pgd_t *pgd, uint64_t vaddr, uint64_t paddr) {

uint64_t pde_index = (vaddr >> 39) & 0x1ff;

pgd[pde_index].base = paddr;

pgd[pde_index].p = 1;

pgd[pde_index].rw = 1;

}

上述代码片段展示了一个向页目录表添加新的页目录项的函数pgd_add_entry。函数接收一个页目录表指针pgd,虚拟地址vaddr和物理地址paddr。函数首先将虚拟地址右移39位并与0x1ff进行与操作,得到页目录项的索引pde_index。然后通过pgd[pde_index]可以访问到该索引对应的页目录项,将物理地址paddr赋值给该页目录项的base字段,同时将p和rw字段置1,表示该页目录项存在且可读写。

2.3 页目录表的销毁

void pgd_destroy(pgd_t *pgd) {

kfree(pgd);

}

上述代码片段展示了一个销毁页目录表的函数pgd_destroy。函数接收一个页目录表指针pgd,并通过kfree函数释放该指针指向的内存空间。

3. 总结

本文详细介绍了Linux系统中页目录表的结构以及访问和维护方式。通过对页目录表的了解,可以更好地理解操作系统内存管理的基本原理,并能够编写程序来操作和修改进程的虚拟内存映射关系。同时,由于页目录表的复杂性和底层性质,对于开发者来说要谨慎使用相关接口和修改虚拟地址映射关系,以避免对系统稳定性和安全性产生影响。

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