Linux内存管理图解

Linux内存管理图解

作者：wdy

一、逻辑地址转线性地址

   

机器语言指令中出现的内存地址，都是逻辑地址，需要转换成线性地址，再经过MMU(CPU中的内存管理单元)转换成物理地址才能够被访问到。

我们写个最简单的hello world程序，用gccs编译，再反编译后会看到以下指令：

mov    0x80495b0, %eax

这里的内存地址0x80495b0 就是一个逻辑地址，必须加上隐含的DS 数据段的基地址，才能构成线性地址。也就是说 0x80495b0 是当前任务的DS数据段内的偏移。

 

 

在x86保护模式下，段的信息（段基线性地址、长度、权限等）即段描述符占8个字节，段信息无法直接存放在段寄存器中（段寄存器只有2字节）。Intel的设计是段描述符集中存放在GDT或LDT中，而段寄存器存放的是段描述符在GDT或LDT内的索引值(index)。

Linux中逻辑地址等于线性地址。为什么这么说呢？因为Linux所有的段（用户代码段、用户数据段、内核代码段、内核数据段）的线性地址都是从 0x00000000 开始，长度4G，这样 线性地址=逻辑地址+ 0x00000000，也就是说逻辑地址等于线性地址了。

这样的情况下Linux只用到了GDT，不论是用户任务还是内核任务，都没有用到LDT。GDT的第12和13项段描述符是 __KERNEL_CS 和__KERNEL_DS，第14和15项段描述符是 __USER_CS 和__USER_DS。内核任务使用__KERNEL_CS 和__KERNEL_DS，所有的用户任务共用__USER_CS 和__USER_DS，也就是说不需要给每个任务再单独分配段描述符。内核段描述符和用户段描述符虽然起始线性地址和长度都一样，但DPL(描述符特权级)是不一样的。__KERNEL_CS 和__KERNEL_DS 的DPL值为0（最高特权），__USER_CS 和__USER_DS的DPL值为3。

用gdb调试程序的时候，用info reg 显示当前寄存器的值：

cs             0x73     115

ss             0x7b     123

ds             0x7b     123

es             0x7b     123

可以看到ds值为0x7b, 转换成二进制为 00000000 01111011，TI字段值为0,表示使用GDT，GDT索引值为 01111，即十进制15，对应的就是GDT内的__USER_DATA 用户数据段描述符。

从上面可以看到，Linux在x86的分段机制上运行，却通过一个巧妙的方式绕开了分段。

Linux主要以分页的方式实现内存管理。

二、线性地址转物理地址

前面说了Linux中逻辑地址等于线性地址，那么线性地址怎么对应到物理地址呢？这个大家都知道，那就是通过分页机制，具体的说，就是通过页表查找来对应物理地址。

分页是CPU提供的一种机制，Linux只是根据这种机制的规则，利用它实现了内存管理。

分页的基本原理是把线性地址分成固定长度的单元，称为页（page）。页内部连续的线性地址映射到连续的物理地址中。X86每页为4KB（为简化分析，我们不考虑扩展分页的情况）。为了能转换成物理地址，我们需要给CPU提供当前任务的线性地址转物理地址的查找表，即页表(page table)，页表存放在内存中。

在保护模式下，控制寄存器CR0的最高位PG位控制着分页管理机制是否生效，如果PG=1，分页机制生效，需通过页表查找才能把线性地址转换物理地址。如果PG=0，则分页机制无效，线性地址就直接作为物理地址。

为了实现每个任务的平坦的虚拟内存和相互隔离，每个任务都有自己的页目录表和页表。

为了节约页表占用的内存空间，x86将线性地址通过页目录表和页表两级查找转换成物理地址。

32位的线性地址被分成3个部分：

最高10位 Directory 页目录表偏移量，中间10位 Table是页表偏移量，最低12位Offset是物理页内的字节偏移量。

页目录表的大小为4KB（刚好是一个页的大小），包含1024项，每个项4字节（32位），表项里存储的内容就是页表的物理地址（因为物理页地址4k字节对齐，物理地址低12位总是0,所以表项里的最低12字节记录了一些其他信息，这里做简化分析）。如果页目录表中的页表尚未分配，则物理地址填0。

页表的大小也是4k，同样包含1024项，每个项4字节，内容为最终物理页的物理内存起始地址。



每个活动的任务，必须要先分配给它一个页目录表，并把页目录表的物理地址存入cr3寄存器。页表可以提前分配好，也可以在用到的时候再分配。

还是以 mov    0x80495b0, %eax  中的地址为例分析一下线性地址转物理地址的过程。

前面说到Linux中逻辑地址等于线性地址，那么我们要转换的线性地址就是0x80495b0。转换的过程是由CPU自动完成的，Linux所要做的就是准备好转换所需的页目录表和页表（假设已经准备好，给页目录表和页表分配物理内存的过程很复杂，后文再分析）。

内核先将当前任务的页目录表的物理地址填入cr3寄存器。

线性地址 0x80495b0 转换成二进制后是 0000 1000 0000 0100 1001 0101 1011 0000，最高10位0000 1000 00的十进制是32，CPU查看页目录表第32项，里面存放的是页表的物理地址。线性地址中间10位00 0100 1001 的十进制是73，页表的第73项存储的是最终物理页的物理起始地址。物理页基地址加上线性地址中最低12位的偏移量，CPU就找到了线性地址最终对应的物理内存单元。

我们知道Linux中用户进程线性地址能寻址的范围是0 － 3G，那么是不是需要提前先把这3G虚拟内存的页表都建立好呢？一般情况下，物理内存是远远小于3G的，加上同时有很多进程都在运行，根本无法给每个进程提前建立3G的线性地址页表。Linux利用CPU的一个机制解决了这个问题。进程创建后我们可以给页目录表的表项值都填0，CPU在查找页表时，如果表项的内容为0,则会引发一个缺页异常，进程暂停执行，Linux内核这时候可以通过一系列复杂的算法给分配一个物理页，并把物理页的地址填入表项中，进程再恢复执行。当然进程在这个过程中是被蒙蔽的，它自己的感觉还是正常访问到了物理内存。

怎样防止进程访问不属于自己的线性地址（如内核空间）或无效的地址呢？内核里记录着每个进程能访问的线性地址范围（进程的vm_area_struct 线性区链表和红黑树里存放着），在引发缺页异常的时候，如果内核检查到引发缺页的线性地址不在进程的线性地址范围内，就发出SIGSEGV信号，进程结束，我们将看到程序员最讨厌看到的Segmentation fault。