学习linux的内存管理（二）

在讲linux的分页机制之前，先讲一下硬件的内存分页机制，从而体现linux在分页机制中的巧妙之处。

Cpu的内存分页机制

每个用户进程可以访问4G的线性空间，而这4G的空间是虚拟的，而分页机制就是将线性地址映射到物理地址上，对于4G的线性空间，我们用页为单位对其进行划分，每个页的大小为4KB，那么虚拟地址空间就可以有2^20个这样的页。若是将其保存在一个数组里，就是一个长度为2^20的数组，每个元素的值就对应一个页的初始地址，大小为4Bytes，那么要保存这样一个数组，就需要2^20*4Bytes=4MB的内存空间。（另一类“页”，我们称之为物理页，或者是页框、页桢的。是分页单元把所有的物理内存也划分为固定长度的管理单位，它的长度一般与内存页是一一对应的）

为了节省空间，引入了一个二级管理模式的机器来组织分页单元。文字描述太累，看图直观一些：

1，  分页机制当中，页目录是唯一的，它的地址保存在CPU的cr3寄存器当中，是进行地址转换的起点。

2，  这里的页目录总共有1024个目录项，这些目录项是通过页目录的地址加上线性地址的高10位来索引的，每个页目录项中保存的是每个页表的初始地址。

3，  而每个页表有1024个表项，这些表项是通过页表的地址加上线性地址的中间10位来索引的，每个表项中保存的是每个页的起始地址。

4，  将页的起始地址与线性地址中最后12位相加，得到最终我们想要的物理地址

 

1，这个转换过程，应该说还是非常简单地。全部由硬件完成，虽然多了一道手续，但是节约了大量的内存，还是值得的。那么再简单地验证一下：

这样的二级模式是否仍能够表示4G的地址；

页目录共有：2^10项，也就是说有这么多个页表

每个页表对应了：2^10页；

每个页中可寻址：2^12个字节。

还是2^32 = 4GB

2，虽然页目录和页表中的项，都是4个字节，32位，但是它们都只用高20位，低12位屏蔽为0——把页表项的低12屏蔽为0，是很好理解的，因为这样，它刚好和一个页大小对应起来，大家都成整数增加。计算起来就方便多了。但是，为什么同时也要把页目录项低12位屏蔽掉呢？因为按同样的道理，只要屏蔽其低10位就可以了，不过我想，因为12>10，这样，可以让页目录和页表使用相同的数据结构，方便。

 

Linux的页式内存管理
原理上来讲，Linux只需要为每个进程分配好所需数据结构，放到内存中，然后在调度进程的时候，切换寄存器cr3，剩下的就交给硬件来完成了（呵呵，事实上要复杂得多，不过偶只分析最基本的流程）。

前面说了i386的二级页管理架构，不过有些CPU，还有三级，甚至四级架构，Linux为了在更高层次提供抽像，为每个CPU提供统一的界面。提供了一个四层页管理架构，来兼容这些二级、三级、四级管理架构的CPU。

这四级分别为：

页全局目录PGD（对应刚才的页目录）

页上级目录PUD（新引进的）

页中间目录PMD（也就新引进的）

页表PT（对应刚才的页表）。

 

整个转换依据硬件转换原理，只是多了二次数组的索引罢了，如下图：

那么，对于使用二级管理架构32位的硬件，现在又是四级转换了，它们怎么能够协调地工作起来呢？嗯，来看这种情况下，怎么来划分线性地址吧！

从硬件的角度，32位地址被分成了三部份——也就是说，不管理软件怎么做，最终落实到硬件，也只认识这三位老大。

从软件的角度，由于多引入了两部份，，也就是说，共有五部份。要让二层架构的硬件认识五部份也很容易，在地址划分的时候，将页上级目录和页中间目录的长度设置为0就可以了。
这样，操作系统见到的是五部份，硬件还是按它死板的三部份划分，也不会出错，也就是说大家共建了和谐计算机系统。

这样，虽说是多此一举，但是考虑到64位地址，使用四层转换架构的CPU，我们就不再把中间两个设为0了，这样，软件与硬件再次和谐——抽像就是强大呀！！！

例如，一个逻辑地址已经被转换成了线性地址，0x08147258，换成二制进，也就是：

0000100000 0101000111 001001011000

内核对这个地址进行划分

PGD = 0000100000

PUD = 0

PMD = 0

PT = 0101000111

offset = 001001011000

 

现在来理解Linux针对硬件的花招，因为硬件根本看不到所谓PUD,PMD，所以，本质上要求PGD索引，直接就对应了PT的地址。而不是再到PUD和PMD中去查数组（虽然它们两个在线性地址中，长度为0，2^0 =1，也就是说，它们都是有一个数组元素的数组），那么，内核如何合理安排地址呢？

从软件的角度上来讲，因为它的项只有一个，32位，刚好可以存放与PGD中长度一样的地址指针。那么所谓先到PUD，到到PMD中做映射转换，就变成了保持原值不变，一一转手就可以了。这样，就实现了“逻辑上指向一个PUD，再指向一个PDM，但在物理上是直接指向相应的PT的这个抽像，因为硬件根本不知道有PUD、PMD这个东西”。

然后交给硬件，硬件对这个地址进行划分，看到的是：

页目录 = 0000100000

页表= 0101000111

偏移量= 001001011000

嗯，先根据0000100000(32)，在页目录数组中索引，找到其元素中的地址，取其高20位，找到页表的地址，页表的地址是由内核动态分配的，接着，再加一个offset，就是最终的物理地址了。