詳解Linux系統(tǒng)文件頁(yè)表目錄和Linux系統(tǒng)頁(yè)表結(jié)構(gòu)

兩級(jí)頁(yè)表如何實(shí)現(xiàn)地址轉(zhuǎn)換：

• 頁(yè)表：是一種特殊的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，記錄著頁(yè)面和頁(yè)框的對(duì)應(yīng)關(guān)系。（映射表）
• 頁(yè)表的作用：是內(nèi)存非連續(xù)分區(qū)分配的基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)從邏輯地址轉(zhuǎn)化成物理地址。

1. (1) 按照地址結(jié)構(gòu)將邏輯地址拆成三個(gè)部分。
2. (2) 從PCB中讀取頁(yè)目錄起始地址，再根據(jù)一級(jí)頁(yè)號(hào)查頁(yè)目錄表，找到下一級(jí)頁(yè)表在內(nèi)存中存放位置。
3. (3) 根據(jù)二級(jí)頁(yè)號(hào)查表，找到最終想要訪(fǎng)問(wèn)的內(nèi)存塊號(hào)。
4. (4) 結(jié)合頁(yè)內(nèi)偏移量得到物理地址。

虛擬存儲(chǔ)技術(shù)

再解決了頁(yè)必須連續(xù)存放的問(wèn)題后，再看如何第二個(gè)問(wèn)題：沒(méi)有必要讓整個(gè)頁(yè)表常駐內(nèi)存，因?yàn)檫M(jìn)程一段時(shí)間內(nèi)可能只需要訪(fǎng)問(wèn)某幾個(gè)特定的頁(yè)面。
解決方案：可以在需要訪(fǎng)問(wèn)頁(yè)面時(shí)才把頁(yè)面調(diào)入內(nèi)存——虛擬存儲(chǔ)技術(shù)（后面再說(shuō)）?？梢栽陧?yè)表中增加一個(gè)標(biāo)示位，用于表示該頁(yè)表是否已經(jīng)調(diào)入內(nèi)存。

應(yīng)用

若采用多級(jí)頁(yè)表機(jī)制，則各級(jí)頁(yè)表的大小不能超過(guò)一個(gè)頁(yè)面。

舉例說(shuō)明，某系統(tǒng)按字節(jié)編址，采用40位邏輯地址，頁(yè)面大小為4KB，頁(yè)表項(xiàng)大小為4B，假設(shè)采用純頁(yè)式存儲(chǔ)，則要采用（）級(jí)頁(yè)表，頁(yè)內(nèi)偏移量為（）位？

頁(yè)面大小 = 4KB，按字節(jié)編址，因此頁(yè)內(nèi)偏移量為12位。
頁(yè)號(hào) = 40 - 12 = 28位。
頁(yè)面大小 = 4KB，頁(yè)表項(xiàng)大小 = 4B，則每個(gè)頁(yè)面可存放1024個(gè)頁(yè)表項(xiàng)。因此各級(jí)頁(yè)表最多包含1024個(gè)頁(yè)表項(xiàng)，需要10個(gè)二進(jìn)制位才能映射到1024個(gè)頁(yè)表項(xiàng)，因此每級(jí)頁(yè)表對(duì)應(yīng)的頁(yè)號(hào)應(yīng)為10位二進(jìn)制。共28位的頁(yè)號(hào)至少要分為3級(jí)。

1、 進(jìn)程的4G 線(xiàn)性空間被劃分成三個(gè)部分：進(jìn)程空間（0-3G）、內(nèi)核直接映射空間（3G – high_memory）、內(nèi)核動(dòng)態(tài)映射空間（VMALLOC_START - VMALLOC_END）

2、 三個(gè)空間使用同一張頁(yè)目錄表，通過(guò) CR3 可找到此頁(yè)目錄表。但不同的空間在頁(yè)目錄表中頁(yè)對(duì)應(yīng)不同的項(xiàng)，因此互相不沖突

3、 內(nèi)核初始化以后，根據(jù)實(shí)際物理內(nèi)存的大小，計(jì)算出 high_memory、VMALLOC_START、VMALLOC_END 的值。并為“內(nèi)核直接映射”空間建立好映射關(guān)系，所有的物理內(nèi)存都可以通過(guò)此空間進(jìn)行訪(fǎng)問(wèn)。

4、 “進(jìn)程空間”和“內(nèi)核動(dòng)態(tài)映射空間”的映射關(guān)系是動(dòng)態(tài)建立的（通過(guò)缺頁(yè)異常）

假設(shè)在有三個(gè)線(xiàn)性地址 addr1, addr2, addr3 ，分別屬于三個(gè)線(xiàn)性空間不同部分（0-3G、3G-high_memory、vmalloc_start-vmalloc_end），但是最終都映射到物理頁(yè)面1：

1、 三個(gè)地址對(duì)應(yīng)不同的頁(yè)表和頁(yè)表項(xiàng)

2、 但是頁(yè)表項(xiàng)的高 20bit 肯定是1，表示物理頁(yè)面的索引號(hào)是1

3、 同時(shí)，根據(jù)高 20 bit，可以從 mem_map[] 中找到對(duì)應(yīng)的 struct page 結(jié)構(gòu)，struct page 用于管理實(shí)際的物理頁(yè)面（就是實(shí)際物理頁(yè)面的物理地址了，到這里就不繞彎子了，順便想到高速緩沖的匹配命中操作是用哈希表，換算出的要訪(fǎng)問(wèn)的實(shí)際物理地址拿到哈希表的輸入計(jì)算一下哈希值，看看有沒(méi)命中）（紅線(xiàn)）

4、 從線(xiàn)性地址最終的，根據(jù)頁(yè)目錄表，頁(yè)表，可以找到物理地址

5、 Struct page 和物理地址之間很容易互相轉(zhuǎn)換

6、 從物理地址，可以很容易的反推出在內(nèi)核直接映射空間的線(xiàn)性地址（藍(lán)線(xiàn)）。要想得到在進(jìn)程空間或者內(nèi)核動(dòng)態(tài)映射空間的對(duì)應(yīng)的線(xiàn)性地址，則需要遍歷相應(yīng)的“虛存區(qū)間”鏈表。

關(guān)于頁(yè)目錄表：
1、 每個(gè)進(jìn)程有一個(gè)屬于自己的頁(yè)目錄表，可通過(guò) CR3 寄存器找到
2、 而內(nèi)核也有一個(gè)獨(dú)立于其它進(jìn)程的頁(yè)目錄表，保存在 swapper_pg_dir[] 數(shù)組中

3、 當(dāng)進(jìn)程切換的時(shí)候，只需要將新進(jìn)程的頁(yè)目錄把地址加載到 CR3 寄存器中即可

4、 創(chuàng)建一個(gè)新進(jìn)程的時(shí)候，需要為它分配一個(gè) page，作為頁(yè)目錄表，并將 swapper_pg_dir[] 的高 256 項(xiàng)拷貝過(guò)來(lái)，低 768 項(xiàng)則清0

linux0.11版本，所有進(jìn)程共享同一個(gè)頁(yè)目錄而各自使用不同的頁(yè)表，該共享的頁(yè)目錄就放在物理地址最前面的4k

標(biāo)題：Linux系統(tǒng)文件頁(yè)表目錄和頁(yè)表結(jié)構(gòu)(圖文詳解)

原文作者：玩轉(zhuǎn)Linux內(nèi)核，地址：https://zhuanlan.zhihu.com/p/429914858 轉(zhuǎn)載注明來(lái)源