6 Linux存储管理

6.4 Linux 的分段和分页结构

本节主要内容 Linux 运行在 80x86 上时，其内核如何利用硬件机制实现对存储空间的分段分页管理。

6.4.1Linux 的分段结构

1. 用户区和内核区
   80x86 的分段机制把 64T 的虚拟地址空间分为最大长度为 4G 的线性地址空间。Linux 把每个线性地址空间提供给一个进程使用，所以每个线性地址空间就是用户的虚拟内存空间。在一个进程的线性地址空间中包含若干全局段和局部段。

👉内核代码段和内核数据段：由于对一个进程而言，只有它的虚拟存储空间是可见的。因此为了操作系统功能，系统内核必须包括在进程的虚拟地址空间中。Linux 把内核的代码和数据映射到线性地址空间的全局段中，它们就形成了内核代码段和内核数据段。
👉用户代码段和用户数据段：进程本身的代码和数据映射到进程线性地址空间的局部段，形成用户代码段和用户数据段。

为了保护内核，linux 把虚拟内存分成两部分：

👉内核区：包括内核代码段和内核数据段、内核使用的堆栈、全局数据结构。
👉用户区：包括用户代码段和用户数据段、进程堆栈、进程数据结构等

在 80x86 上 linux 进程虚拟空间中：

👉用户区：地址从 0x00000000~0xbfffffff，其大小为 3G；
👉内核区：地址从 0xc0000000~0xffffffff，其大小为 1G；

说明： 由于对每个进程而言，只有它的虚拟存储空间是可见的，而且每个进程的虚拟存储空间都是从 0 开始的相对地址空间，所以从系统角度看，每个进程在虚拟空间中的内核区和用户区的分布是相同的。

2. GDT
由于大部分进程都只有一个代码段和一个数据段，为了提高地址映射速度，从 linux2.2 开始，把进程的一个代码段和一个数据段的描述符放到了 GDT 中，这样就可以直接从 GDT 中取得描述符，而不必再通过 GDT 访问 LDT。只有进程需要建立更多段时，才把它们的描述符放到 LDT 中。在 linux 内核 2.2 的 arch/i386/kernel/head.s 文件中定义了 GDT 的内容。

6.4.2 Linux 的三级分页结构

1. Linux 的三级分页结构
   Linux 在 80x86 机器平台运行时，因为 80x86 是 32 位的，所以 采用两级分页结构就可以有效地节省内存空间。但是如果 Linux 运行在 64 位机器平台时，如 Alpha 等，地址总线 64 位，寻址更大空间，此时二级页表将出现页表目录过大的问题。为此，64 位机器的分页机制提供的是三级分页结构。Linux 运行在 64 位机器平台时也采用三级分页结构。

页目录：PGD（page directory）
页中间目录：PMD（page Middle directory）
页表：PTE（page table）

地址结构，以 alpha 机器为例：


2. linux 与硬件无关的分页机构
linux 提供了与硬件无关的分页机构。所谓与硬件无关是指这种分页结构仅是一种存储管理模型。当linux 运行在某种机器时，通过对存储管理模型有关参数的设置来适应机器的硬件。Linux 内核提供的与硬件无关的分页机构是三级分页存储管理模型。
Linux 内核把三级分页存储管理模型转换为两级分页结构的具体做法是：把三级分页存储管理模型的页中间目录域长度定义为 0。同时定义中间目录表只有一个表项。在 linux 源代码文件的/include/asmi386/pgtable.h 中有如下定义：

#define PTRS_PER_PTE 1024
#define PTRS_PER_PMD 1
#define PTRS_PER_PGD 1024

3. Linux 页面大小
   Linux 中页面的尺寸由宏定义的符号常量 PAGE_SIZE 指定，在 80x86 机器中页面长度为 4KB，定义在 include/asm-i386/page.h 中：

#define PAGE_SHIFT 12
#define PAGE_SIZE (1UL<< PAGE_SHIFT) /*把 1 左移 12 位，即 4K*/
在 alpha 等 64 位机中，页面大小为 8K，定义在相应的 page.h 中：
#define PAGE_SHIFT 13
#define PAGE_SIZE (1UL<< PAGE_SHIFT) /*把 1 左移 13 位，即 8K*/

6.4.3 内核页表和进程页表

1. CR3 控制寄存器
   进程切换时，linux 要重新设置 CR3 控制寄存器，使它指向新进程的页目录表。该任务由内核的汇编语言函数 startup_32（）完成。

2. 页目录表
   linux 内核为了配合硬件分页机制设置了相应的数据结构，其中页目录表定义为一个具有 1024 个元素
   的数组：

Pgd_t swapper_pg_dir[1024] /*每个元素指向一个页表*/

3. 内核页表和进程页表 内核页表和进程页表
   内核区和用户区的分界地址由符号常量 PAGE_OFFSET 确定，如 80x86 中 PAGE_OFFSET 的值是0xc0000000（3G）。所以此时页目录表的钱 768 个表项对应用户区，后 256 项对应内核区（所有进程的内核 表项 完 全 相 同 ） 。 在 linux 内 核 中 使 用 paging_init() 函 数 对 页 目 录 表 进 行 初 始 化 ， 它 定 义 在arch/i386/mm/init.c 中。