Linux从头学16:操作系统在加载应用程序时,是如何把【页目录和页表】当做普通物理页进行操作的?

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道哥 发表于 2021/10/19 09:07:02 2021/10/19
【摘要】 作 者:道哥,10+年嵌入式开发老兵,专注于:C/C++、嵌入式、Linux。 目录 问题描述 处理器接收的是线性地址,不是物理地址 对页目录进行操作 一级查表:构造线性地址的前 10 位,来确定页表的物理地址 二级查表:构造线性地址的中间 10 位,来确定“普通页”的物理地址 三级查表:构造线性地址的最后 12 位,来确定页“普通页”的页内偏移量 三个地址段合体 对页表进行操作 一级查...

作 者:道哥,10+年嵌入式开发老兵,专注于:C/C++、嵌入式、Linux

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x86 系统中,内存管理中的分页机制是非常重要的,在Linux操作系统相关的各种书籍中,这部分内容也是重笔浓彩。

如果你看过 Linux 内核相关书籍,一定对下面这张图又熟悉、又恐惧:

这是 Linux 系统中,页处理单元的多级页表查询方式。

其中黄色背景部分:页上级目录索引 和 页中间目录索引,是 Linux 系统自己扩展的,在原本的 x86 处理器中是不存在的,这也是导致 Linux 中相关部分代码更加复杂的原因。

在上一篇文章中,我们主要对 x86 中的页目录和页表的“反向构造”、“正向查找”这两个过程进行了图文并茂的讨论。文章链接在此:Linux从头学15:【页目录和页表】-理论 + 实例 + 图文的最完全、最接地气详解,但是其中有一个环节被特意忽略过去了。

那就是:在操作系统构造页目录和页表的时候,如何对它们自身进行寻址和操作?

这部分内容,也是内存管理中比较复杂的地方,就好比一名医生给病人做手术,但是病人却是“医生自己”

这篇文章,我们继续通过图片+实例的方式,一起来研究一下内核代码一般都是如何来进行这些“自操作”的。

把这里面的操作机制研究透彻之后,再去看 Linux 内核代码时,就不会晕头转向了。

问题描述

在上一篇文章中,我们举了这样一个示例:

  1. 假设实际的物理内存是1 GB;

  2. 用户程序文件在硬盘上的长度是20 MB;

  3. 操作系统把用户程序加载到内存中时,从 0x4000_0000 的虚拟内存地址处开始存放;

  4. 操作系统读取程序结束后,为所有的地址构造好了页目录和页表;

如下图所示:

页目录和页表的每一个有效表项中,存储的地址都是一个个实实在在的物理页的前 20 位(因为一个物理页的长度固定是 4KB,在分配时都是对齐的,末尾的 12 位全部为 0)。

并且页目录和页表“们”自身,都占用一个物理页的空间,所以它们都有自己的物理地址。

当页目录和页表都构造妥当之后,处理器面对一个线性地址,例如:0x4100_1800,页处理单元就会按照分级查表的方式,把这个线性地址转换为一个物理地址:

  1. 拆分线性地址:0x4100_1800 = 0100_0001_0000_0000___0001_1000_0000_0000;

  2. 根据线性地址的前 10 位,找到页目录中的索引 260,从而确定页表的物理地址是 0x0800_4000(表项中的值是 0x08004,还要补上低位的 12 个 0);

  3. 根据线性地址的中间 10 位,找到 0x0800_4000 这个页表中的索引 1,从而确定普通物理页的物理地址是 0x0210_1000(表项中的值是 0x02101,还要补上低位的 12 个 0);

  4. 根据线性地址的最后 12 位,确定普通页内的偏移量是 2048,普通页的开始地址加上这个偏移量,就得到了最终的物理地址 0x0210_1800。

详细的讨论过程,请参考上一篇文章:Linux从头学15:【页目录和页表】-理论 + 实例 + 图文的最完全、最接地气详解

那么,问题来了:

在页处理单元开启的情况下,处理器面对的是线性地址,那么操作系统在构造页目录中的每一个表项的时候,如何对这个表项进行寻址?

具体到上图来说就是:操作系统想把第一个页表的物理地址 0x0800_0000,填写到页目录的第 256 个表项中时,那么 CPU 就需要找到这个表项,这个表项肯定有物理地址的。

但是,我们不能把这个表项的物理地址直接告诉 CPU,因为 CPU 只接收线性地址,它会自动经过分页单元的处理来得到对应的物理地址。

那么,这个线性地址的值应该是多少呢?

继续用实例来说明,这样容易理解。

假设页目录所处的物理页开始地址0x0100_0000,那么第256个表项的物理地址就是 0x0100_0400

有些小伙伴可能会说:直接把物理地址 0x0100_0400 告诉处理器,不就可以了吗?

这是不对的

处理器接收的是线性地址,不是物理地址

因为现在已经开启了分页处理单元0x0100_0400 是我们最后想得到的物理地址,而处理器只接受线性地址,虽然我们知道这是一个物理地址,但是处理器不知道啊!

当我们给处理器一个地址的时候,处理器会按部就班的对这个地址进行[段转换],再进行[页转换],这时才得到它认为的物理地址。

由于使用的是“平坦型”的段结构,所以这里就忽略了段处理过程,直接讨论页处理过程。

所以,我们应该使用某些方法,构造出一个线性地址 addr,让这个地址经过页处理单元之后,得到 0x0100_0400 这个物理地址:

这里有点递归的味道,又有点像一个医生给他自己做一个外科手术!

现在,应该明白面对的问题了吧?

目标就是:通过某种方法,构造出一个线性地址addr,并且通过页处理单元转换之后,得到物理地址 0x0100_0400

对页目录进行操作

重新梳理一下思路:如果对一个普通物理页(下文简称为:普通页)里的一个地址处的数据进行操作,需要经过3次查表操作:

从页表的某个表项中,找到的那个物理地址,就是最后要操作的普通物理页。

现在我们的问题是:需要把页目录作为最终的操作对象。

也就是说,从页表中找到的“普通页”的物理地址,应该等于页目录的物理地址!

作为一名软件开发人员,递归思想都是有的。

我们就来构造一个线性地址 addr,让它经过3次查表操作之后,能够指向页目录的物理地址

一级查表:构造线性地址的前 10 位,来确定页表的物理地址

一级查表:查找的对象是页目录

线性地址addr的前10位,决定了页目录内的索引。

很显然,需要让这个索引对应的那个表项中所登记的地址,必须是指向页目录自己才可以。

常用的解决方案是:利用页目录中的最后一个表项,让这个表项中记录的地址,指向页目录自己,如下图所示:

也就是说,预先在页目录的最后一个表项中,填入页目录自己的物理地址,然后只要线性地址addr10位的值为1023,就能够得到这个表项。

很容易就能得到addr的前10位应该是:0x3FF(二进制:1111_1111_11)

由于这个表项中存储的地址是页目录自己的开始地址(0x0100_0000, 最后的120是自动补上的),这样就相当于:下面进入第二级查找时,页目录即将被当做“页表”来使用

如下图所示:

这里红色虚线的“页表”其实就是页目录自己,只是一个影子而已。

二级查表:构造线性地址的中间 10 位,来确定“普通页”的物理地址

二级查表:查找的对象是页表,也就是一级查表得到的那个“页表”

虽然一级查表的结果是页目录自己,但是处理器不管这些,它会把这个表当做页表来使用。

现在,来考虑线性地址addr的中间10位,它决定了页表中的索引号。

很显然,需要继续让这个索引号对应的那个表项中,记录的地址必须继续指向页目录自己

那就继续利用这个“页表”(其实它是页目录)中的最后一个表项呗,就是index = 1023的这个表项。

这个表项中存储的物理地址,即将是最终查表得到的“普通页”的物理地址了。

由于这个表项中,被预先填写了0x01000,补上尾部的120之后就是 0x0100_0000,仍然指向页目录自己,完美!

于是,就得到了中间10位的结果:0x3FF(二进制:11_1111_1111)

如下图所示:

最右面红色虚线的“物理页”,就是二级查找的结果,它本质上仍然是页目录本身,只不过它即将被当做一个普通物理页来使用

三级查表:构造线性地址的最后 12 位,来确定页“普通页”的页内偏移量

现在,已经构造出了线性地址addr(这是我们的最终目标)的前20位,并且经过页表的前两级查表,成功的定位到了页目录自己!

就差最后一步了!

我们知道,从线性地址到物理地址的转换过程中,最后的12位表示页内偏移,是直接从线性地址中取过来的。

也就是说:线性地址 与 物理地址 的最后12位偏移量,值是一样的

所以,我们就反过来倒推一下:

我们最终想操作的是页目录中第256个表项,它的物理地址是 0x0100_0400,这个物理地址距离这个页目录开始位地址的偏移量是:0x400(0x0100_0400 减去 0x0100_0000)。

因此,线性地址addr中的最后12位的值也应该是0x400

三个地址段合体

把上面三个步骤中,得到的地址聚合在一起:

0xFFFF_F400 就是最终想得到的线性地址!

也就是说,我们只要把这个线性地址 0xFFFF_F400 告诉处理器,它就会经过页处理单元的转换,最终查找到页目录这个物理页中的第 256个表项,也就是物理地址 0x0100_0400

例如:mov [0xFFFF_4000], xxxx

以上就是操作系统在操作页目录自身时,所采取的策略。

具体到每个操作系统来说,可能稍微有差别,但是其中的道理都是差不多的。

例如本文开头的第一张图中,Linux 使用了4级表格来查找,并且中间的两个表格还可以省略不用。

如何跨过中间的这两个表格,Linux内核代码中的代码更复杂一些,但是策略都是一样的。

对页表进行操作

既然已经弄明白了操作系统是如何操作页目录的,那么对页表的操作就不是什么大问题了。

比如下面这张图:

目标:把最右面的普通物理页地址 0x0200_0000,放入 0x0800_0000 这个页表的第一个表项中(只需要存储前20位),那么应该传递什么样的线性地址给处理器?

思路是完全一样的。

一级查表

按照正常的分页查找流程,从页目录的某个表项中,查找我们想操作的那个页表

页目录中的这个表项位于索引值256的地方,因此可以构造出线性地址的前10位是:0100_0000_00(0x100)

所以,经过一级查表得到的这个页表的物理地址是 0x0800_0000

二级查表

利用这个页表的最后一个表项(index = 1023),预先填写一个地址(0x08000),让它指向这个页表自己的开始物理地址。

于是,可以构造出线性地址的中间10位是:11_1111_1111(0x3FF)

由于这个表项中存储的地址是0x0800_0000,指向的正是页表自己,只不过马上它就被当作普通物理页被使用。

三级查表

此时,已经找到最后的普通物理页了(其实它是一个页表,被当作普通物理页使用)。

线性地址的最后12位,可以直接从最后想操作的那个目标物理地址中最后12位直接拿过来。

我们的目标是:操作页表中的第 0 个表项,这个表项的物理地址是 0x0800_0000,最后的12位偏移量是 0000_0000_0000

把以上3个地址段合体,即可得到正确的线性地址


------ End ------

这里讨论的方法,并不是处理页目录和页表的唯一方式

当处理逻辑更加复杂时,可能需要对页目录或页表中更多的表项,进行一些特殊的预处理。

如果你想挑战一下,可以看一下Linux内核中的相关文档或代码!

在这个系列中,关于页目录和页表的知识点就介绍结束了。

如果文中有错误或者误导的地方,非常期待与您一起探讨、学习!

写这篇文章真不容易,让我深深的体会到那句话:

写作就是:将网状的思考-通过树状的结构-用线性的语言清晰的表达出来。

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