Linux 内存管理浅析

(4). 页表管理

下面我们来看下页表的建立过程。前面我说过，进程分为用户进程和内核进程。用户进程可以有多个，而内核进程则只有一个。因此，对于内核进程页表，我们只有一份。下面我以e6500平台为例说明内核进程页表和用户进程页表是怎么建立和管理的。

我们先来思考下，在什么时候，我们才需要真正的创建一个页表呢。前面我说过，页表是按需创建的，就是说在物理页面分配之后，我们才会创建相应的页表项。这里说下页表项和页表的区别。我这里说的页表是指PGD表，PUD表，PMD表，PTE表，在上一节，我画了一张图表示它们。它们包含了各自的页表项，如PGD，PUD，PMD和PTE。在创建相应页表项时，如果所在的页表还没有分配内存，那么需要调用页表alloc函数进行内存分配，然后再进行页表项的设置。那么页表的建立第一步就是需要分配各级页表内存存储空间。

因为PGD表对于每个进程来说都是必须的，所以PGD表的存储空间是在每个进程创建的时候就分配好的，虽然这个时候还不需要对PGD进行设置。

• 内核进程PGD表的创建

  内核进程，就是init 0进程，是内核执行任务的空间，它有自己的进程存储空间，它负责处理像进程调度、内存管理、文件系统、异常处理、外设管理这样的计算机自身的问题。linux内核启动时，内核代码会对系统进行一些初始化的工作，在这之后，内核会建立内核进程的运行环境。我们说一个进程，对于系统来说，就是一个抽象实体，我们会用一些数据结构表示的数据来记录这样一个实体的行为。这个实体有自己的代码（行为），有自己的存储空间（虚拟地址），有自己的CPU等资源（通过分时复用）。那么我们为了表示这样一个实体，记录下这个实体的行为，我们需要一些结构体来存储数据。

  对于每个进程来说，我们都有一个结构体实体：struct task_struct。它记录了进程的行为，状态，存储空间，资源使用等。在这个结构体里，有个成员：struct mm_struct mm，它记录了进程的存储空间，PGD表就是这个结构体的成员：pgd_t pgd（inlcude\linux\mm_tyeps.h）。

  而对于内核进程来说，我们需要在内核启动时就能够知道内核进程的一些信息，所以内核进程所需要的这些数据结构实体，不能够动态分配内存存储，它需要静态的保存在内核的数据段里（.data..init_task）。

  init\init_task.c/* Initial task structure */struct task_struct init_task = INIT_TASK(init_task);

  同时定义了init_mm（mm\init-mm.c）：

  struct mm_struct init_mm = {.mm_rb      = RB_ROOT,.pgd        = swapper_pg_dir,.mm_users   = ATOMIC_INIT(2),.mm_count   = ATOMIC_INIT(1),.mmap_sem   = __RWSEM_INITIALIZER(init_mm.mmap_sem),.page_table_lock =  __SPIN_LOCK_UNLOCKED(init_mm.page_table_lock),.mmlist     = LIST_HEAD_INIT(init_mm.mmlist),INIT_MM_CONTEXT(init_mm)};

  上面可看到，内核的PGD表是swapper_pg_dir。它是定义在内核的bss段的。

  arch\powerpc\kernel\head64.s/** We put a few things here that have to be page-aligned.* This stuff goes at the beginning of the bss, which is page-aligned.*/.section ".bss".align  PAGE_SHIFT.globl  empty_zero_pageempty_zero_page:.space  PAGE_SIZE.globl  swapper_pg_dirswapper_pg_dir:.space  PGD_TABLE_SIZE

• 用户进程PGD表的创建

  用户进程PGD表是动态创建的，是在进程创建的时候通过动态分配内存来保存的。

  kernel\fork.cstatic inline int mm_alloc_pgd(struct mm_struct *mm){  mm->pgd = pgd_alloc(mm);  if (unlikely(!mm->pgd))      return -ENOMEM;  return 0;}

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PGD页表的建立，在进程创建时，我们就已经分配好了存储空间。但其他几级页表，我们都是在需要的时候才创建的。这里说的需要的时候，就是指我们需要为某个物理页面建立页面映射的时候，如果没有相应的页表，需要一级一级的创建PUD，PMD和PTE表。由前面一节图我们可看出，我们只是创建了部分页表。当然，如果相应页表已经创建好了，我们只需要设置PTE就可以了。

页表的创建和页面映射的建立（设置PTE）是一个整体。下面是它们的一般流程：

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• alloc_page
  通过内核伙伴系统分配实际的物理页面。

• mk_pte，set_pte_at
  这两个函数负责构建PTE页表项，具体和平台相关，前面小节已经介绍过。

上图同时给出了内核进入页表映射流程的一般代码路径。

对于用户进程来说，当其申请内存地址时，我们一般只是为其分配对应的虚拟地址，并没有分配实际的内存资源，因此相应的页表映射是不需要的。这样做的理由是，对于内存资源申请者来说，它申请内存资源为了存储数据，但申请之后并不总是立刻使用的，这样我们就可以在它真正需要用到内存资源的时候，再为其分配。在申请的时候，我们只需要记录下虚拟地址分配情况就可以了。这部分内容，我们会在用户进程地址空间管理部分看到。在用户进程需要实际访问这部分虚拟地址时，因为没有对应的物理地址页面，将会发生我们称之为缺页异常的过程。缺页异常发生在查找不到页表项的时候，页表查找过程，我们前面介绍过。所以，用户进程的页表映射基本上是在页面异常模块里处理的。

内核同时还为用户进程提供了mmap机制，使得用户进程可以手动映射到一段物理地址空间。因为物理地址是由用户进程提供的，所以上面页面映射流程，alloc_page是不需要的。

对于内核进程来说，vmalloc分配的的虚拟地址，是立刻就需要为其分配物理内存页面的，页面映射也会同时建立。ioremap是内核提供给驱动开发者手动映射到一段物理地址的工具。