圖文詳解Linux分頁(yè)機(jī)制

分頁(yè)機(jī)制是 80x86 內(nèi)存管理機(jī)制的第二種機(jī)制，分段機(jī)制用于把虛擬地址轉(zhuǎn)換為線性地址，而分頁(yè)機(jī)制用于把線性地址轉(zhuǎn)換為物理地址。分頁(yè)機(jī)制可以用于任何一種分段機(jī)制，也可以理解為先有分段機(jī)制才有分頁(yè)機(jī)制，這是由于歷史原因，分段機(jī)制要比分頁(yè)機(jī)制更輕，先出現(xiàn)的分段后出現(xiàn)的分頁(yè)。

處理器的分頁(yè)機(jī)制用于把線性地址劃分成一個(gè)個(gè)的頁(yè)面，這些劃分成頁(yè)面的線性地址會(huì)被映射到物理空間的頁(yè)面上。

我們知道分段的保護(hù)措施有兩種，一種是利用任務(wù)之間的保護(hù)；一種是利用內(nèi)存段和寄存器之間的保護(hù)。

分頁(yè)機(jī)制有幾種頁(yè)面級(jí)的保護(hù)措施，分段機(jī)制和保護(hù)措施可以和分頁(yè)機(jī)制的保護(hù)措施一起使用，也可以使用分頁(yè)機(jī)制的保護(hù)措施替換分段機(jī)制的保護(hù)。

比如分頁(yè)機(jī)制可以在頁(yè)面的基礎(chǔ)上加強(qiáng)讀/寫(xiě)保護(hù)。另外，在頁(yè)面單元上，分頁(yè)機(jī)制還提供了用戶和超級(jí)用戶兩級(jí)保護(hù)。

分頁(yè)機(jī)制可以通過(guò) CR0 控制寄存器的 PG 這個(gè)標(biāo)志位來(lái)判斷是否開(kāi)啟分頁(yè)機(jī)制；如果 PG = 1 ，則表示啟用分頁(yè)操作，處理器會(huì)使用本節(jié)描述的機(jī)制將線性地址轉(zhuǎn)換為物理地址。如果 PG = 0，則表示禁用分頁(yè)機(jī)制，此時(shí)分段產(chǎn)生的線性地址會(huì)被直接用作物理地址。

分段機(jī)制和分頁(yè)機(jī)制還有一個(gè)區(qū)別就是：分段機(jī)制可以在任意可變長(zhǎng)度的內(nèi)存上進(jìn)行操作，而分頁(yè)機(jī)制只能對(duì)固定大小的頁(yè)面（內(nèi)存塊）進(jìn)行操作。分頁(yè)機(jī)制把線性和物理地址空間都劃分成頁(yè)面。線性地址空間中的頁(yè)面都可以映射在物理地址空間內(nèi)，如下圖所示。

80x86 使用 4K (2 ^ 12) 字節(jié)固定大小的頁(yè)面，每個(gè)頁(yè)面均是 4KB，并且對(duì)齊于 4KB 地址邊界處。這表示分頁(yè)機(jī)制會(huì)把 4GB 劃分成為以 4KB 為基礎(chǔ)的頁(yè)面，共劃分 1M（1048576） 個(gè)，線性地址的低 12 bit 位可以直接作為頁(yè)內(nèi)偏移量，也可直接作為物理地址的低 12 位。

現(xiàn)在我們知道線性地址空間會(huì)經(jīng)過(guò)分頁(yè)機(jī)制映射到物理內(nèi)存空間上，這是一個(gè)正常能夠映射到的情況，如果映射不到怎么辦？也就是說(shuō)包含線性地址空間的頁(yè)面不在物理內(nèi)存中怎么辦？此時(shí)處理器就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)頁(yè)錯(cuò)誤異常。頁(yè)錯(cuò)誤異常的處理程序會(huì)讓操作系統(tǒng)從磁盤(pán)中把相應(yīng)的頁(yè)面加載到物理內(nèi)存中。當(dāng)頁(yè)面加載到物理內(nèi)存中后，會(huì)從異常處理程序中返回，使得處于異常指令的位置繼續(xù)向下執(zhí)行指令。

頁(yè)錯(cuò)誤異常是分頁(yè)機(jī)制實(shí)現(xiàn)換入換出過(guò)程中出現(xiàn)頻次非常高的一種異常機(jī)制，它就好像 bug 一樣如影隨形，而且頻繁的頁(yè)面換入換出操作會(huì)很耗費(fèi)處理器資源，所以為了減少頻繁換入換出的操作，采用了一種局部性原理的方式：把經(jīng)常訪問(wèn)的頁(yè)目錄和相關(guān)頁(yè) "保存" 起來(lái)，這里采用了一種硬件實(shí)現(xiàn)，即轉(zhuǎn)換查找緩沖區(qū)（Translation Lookaside Buffer）。有了 TLB，處理器會(huì)先從 TLB 中查找相關(guān)頁(yè)，TLB 中不存在的頁(yè)才會(huì)從內(nèi)存中進(jìn)行讀取，此時(shí)的 TLB 相當(dāng)于是內(nèi)存的一個(gè)副本。

頁(yè)表結(jié)構(gòu)

頁(yè)表中每個(gè)頁(yè)表項(xiàng)的大小為 32 位，其中 20 位來(lái)存放物理基地址，剩余的 12 位存放可用于存放頁(yè)面是否存在等屬性信息。如果線性地址索引的頁(yè)表項(xiàng)被標(biāo)注為存在，則表示該項(xiàng)有效，我們可以從中取得物理地址；如果線性地址索引的頁(yè)表項(xiàng)不存在，那么訪問(wèn)物理頁(yè)面就會(huì)產(chǎn)生異常。

下面是一個(gè)線性地址到物理地址的變換過(guò)程圖。

可以看到，80x86 使用了兩級(jí)頁(yè)，這是為了減少頁(yè)的數(shù)量所設(shè)計(jì)的，因?yàn)殡m然每個(gè)頁(yè)字節(jié)是 4K，共有 2 ^ 20 （1MB）個(gè)頁(yè)，總共占據(jù) 4MB 大小，但實(shí)際上應(yīng)用程序一次用不到這么多頁(yè)，會(huì)造成資源浪費(fèi)，所以采用了一種分層的設(shè)計(jì)方式。

第一級(jí)稱為頁(yè)目錄（page directory），它被存放在 1 個(gè) 4K 頁(yè)面中，因?yàn)橐还灿?2 ^ 10 次方（1 MB）個(gè)頁(yè)目錄，每個(gè)目錄是 4 字節(jié)，所以是在一個(gè) 4K 頁(yè)面中。線性地址的最高十位（22 - 31 位）用作一級(jí)表（頁(yè)目錄）中的索引來(lái)訪問(wèn)二級(jí)表。

第二級(jí)稱為頁(yè)表（page table），它和頁(yè)目錄一樣，也是占據(jù)一個(gè)頁(yè)面，最多含有 1K 個(gè) 4 字節(jié)的頁(yè)表。頁(yè)表項(xiàng)會(huì)存儲(chǔ) 20 位的物理地址，線性地址中的 12 - 21 位作為頁(yè)表的索引，用于獲取含有 20 位物理地址的頁(yè)表項(xiàng)。頁(yè)表項(xiàng)的 20 位物理基地址和線性地址中的低 12 位一起合成最終的 32 位物理地址。

頁(yè)表項(xiàng)結(jié)構(gòu)

現(xiàn)在我們知道線性地址的低 12 位和頁(yè)表存儲(chǔ)的 20 位可以合成物理地址，頁(yè)表項(xiàng)除了能夠存儲(chǔ)地址外，還有一些其他的屬性，下面是頁(yè)表項(xiàng)的結(jié)構(gòu)圖。

這里需要特別注意的是，頁(yè)目錄的結(jié)構(gòu)和頁(yè)表的結(jié)構(gòu)是一樣的，只不過(guò)他倆描述的主體不一樣，一個(gè)描述的是頁(yè)目錄，一個(gè)描述的是頁(yè)表。

P -- 位 0 是存在（Present）標(biāo)志，用于指明表項(xiàng)對(duì)地址轉(zhuǎn)換是否有效。P = 1 表示有效，P = 0 表示無(wú)效，在頁(yè)的轉(zhuǎn)換過(guò)程中，如果說(shuō)涉及的頁(yè)目錄或頁(yè)表的表項(xiàng)無(wú)效，也就是頁(yè)面沒(méi)有再物理地址中，就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)異常。如果 P = 0 ，那么除了表項(xiàng)無(wú)效外，其余的 bit 位可以自由使用。

R/W -- 位 1 是讀/寫(xiě)（Read/Write）標(biāo)志，當(dāng) R/W = 1 時(shí)，表示該頁(yè)可以被讀、寫(xiě)和執(zhí)行；當(dāng) R/W = 0 時(shí)，表示該頁(yè)只讀或可執(zhí)行；當(dāng)處理器運(yùn)行在超級(jí)用戶權(quán)限下（0、1、2）時(shí)，此位不會(huì)發(fā)生作用。

U/S -- 位 2 是用戶/超級(jí)用戶（User/Supervisor）標(biāo)識(shí)，如果此位為 0 ，表示任意特權(quán)級(jí)下面的應(yīng)用程序都可以訪問(wèn)，如果此位為 1 ，那么頁(yè)面只能允許在特權(quán)級(jí)為 0、1、2 也就是超級(jí)用戶特權(quán)級(jí)下才能訪問(wèn)。

A -- 位 5 是已訪問(wèn)（Accessed）標(biāo)志，此位僅用于統(tǒng)計(jì)頁(yè)面的訪問(wèn)情況，如果頁(yè)面已經(jīng)訪問(wèn)過(guò)，就會(huì)置 1，但是操作系統(tǒng)會(huì)通過(guò)定期復(fù)位來(lái)重置此標(biāo)識(shí)位。

D -- 位 6 是頁(yè)面已修改（Dirty）標(biāo)志，也就是我們常說(shuō)的"臟位"，當(dāng)處理器對(duì)頁(yè)面執(zhí)行寫(xiě)操作時(shí)，就會(huì)設(shè)置對(duì)應(yīng)頁(yè)面的 D 標(biāo)志。

AVL -- 保留字段，這個(gè)字段專門(mén)提供給程序使用。

根據(jù)上面字段的描述，可以看到頁(yè)目錄和頁(yè)表項(xiàng)中的 P 位為分頁(yè)技術(shù)的虛擬存儲(chǔ)提供了必要的標(biāo)識(shí)，若線性地址空間中的頁(yè)面存在于物理內(nèi)存中，那么對(duì)應(yīng)的表項(xiàng) P = 1，并且該表項(xiàng)中含有相應(yīng)的物理地址。頁(yè)面不在物理內(nèi)存中的表項(xiàng) P = 0 。如果程序訪問(wèn)物理內(nèi)存中不存在的頁(yè)面，處理器就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)缺頁(yè)異常。此時(shí)操作系統(tǒng)就會(huì)利用這個(gè)異常把缺少的頁(yè)面從磁盤(pán)調(diào)入內(nèi)存，把相應(yīng)的物理地址放在表項(xiàng)中，返回程序繼續(xù)執(zhí)行引起異常的指令并且設(shè)置 P = 1。

A 和 D 這兩個(gè)標(biāo)志位是實(shí)現(xiàn)虛擬存儲(chǔ)的基礎(chǔ)，這兩個(gè)標(biāo)志位可以定期檢測(cè)指定的頁(yè)面是否訪問(wèn)過(guò)并且是否可以讀寫(xiě)，從而判斷哪些頁(yè)面可以移出到磁盤(pán)。比如一個(gè)頁(yè)面從磁盤(pán)讀入內(nèi)存后，它的 D 標(biāo)志位為 0 ，那么當(dāng)頁(yè)被移除磁盤(pán)時(shí)，它的 D 位還是 0 的話，就可以判斷這個(gè)頁(yè)面無(wú)需調(diào)入磁盤(pán)。D = 1 表示頁(yè)面已經(jīng)被修改過(guò)，就需要將其寫(xiě)回到磁盤(pán)上。

審核編輯：劉清