Linux 内核内存管理：从寻址到分页

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2k 词

深入理解 Linux 内核内存管理：逻辑地址 → 线性地址 → 物理地址的完整转换过程。

地址类型总览

地址类型 说明
虚拟地址 由段选择符 + 段内偏移组成，不能直接访问物理内存
逻辑地址 程序产生的段内偏移地址
线性地址 虚拟地址经分段变换后的中间层，处理器可寻址
物理地址 最终的内存单元地址

转换流程：逻辑地址 → 分段（查段表）→ 线性地址 → 分页（查页表）→ 物理地址

分段机制

段描述符

每个段由一个 8 字节的段描述符表示，包含段的基址、限长、优先级等属性：

字段 描述
Base 段首字节线性地址
G 粒度标志（0=字节，1=4096 字节）
Limit 段长度
S 描述符类型（0=系统段，1=数据/代码段）
DPL 特权级（0=内核，3=用户）

门描述符

存放指向过程入口点的指针：

  • 任务门：任务切换
  • 中断门：调用中断处理程序
  • 陷阱门：调用异常处理程序
  • 调用门：在不同特权级间实现受控的程序控制转移

段选择符

8 字节长，由 index、TI（表指示符）、RPL（请求特权级）字段组成，用于在描述符表中查找段描述符。

Linux 的四种段

Linux 中所有进程共享相同的段描述符，基址均为 0x00000000，因此逻辑地址 = 线性地址：

段 Base Limit DPL
用户代码段 __USER_CS 0x00000000 0xfffff 3
用户数据段 __USER_DS 0x00000000 0xfffff 3
内核代码段 __KERNEL_CS 0x00000000 0xfffff 0
内核数据段 __KERNEL_DS 0x00000000 0xfffff 0

GDT（全局描述符表）

  • 单处理器系统只有一张 GDT，多核每个 CPU 各一张
  • 实模式通过 段值×16+偏移 寻址（仅 1MB）；GDT 进入保护模式，提供更大寻址能力和内存保护
  • 每个 GDT 包含 18 个段描述符 + 14 个保留项

分页机制

为什么需要分页

分段解决了地址空间隔离和程序运行地址不确定的问题，但没有解决内存使用效率问题。分页通过”搭积木”式的分配缓解了碎片问题。

把进程的虚拟地址空间按页分割，常用数据装在内存，暂时不用的保存在磁盘，需要时再加载。

页与页框

  • 页（page）：线性地址的固定长度分组
  • 页框（page frame）：RAM 中的存储块，大小与页相等
  • 页可以存放在任意页框或磁盘中

cr0 寄存器的 PG 标志控制是否启用分页。

页表

页表将线性地址映射到物理地址。转换过程：

  1. 用页号 p 检索页表，得到物理块号
  2. 将页内地址 d 送入物理地址寄存器的块内地址字段
  3. 二者拼接得到最终物理地址

页表还记录：页面是否在内存、是否受保护、是否非法空间等。

Linux 四级分页

自 2.6.11 起，Linux 采用四级分页以适配 32 位和 64 位：

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页全局目录 → 页上级目录 → 页中间目录 → 页表 → 页框
  • 32 位系统：页上级目录和页中间目录位为 0（保留位置以兼容 64 位）
  • PAE 启用：使用三级分页，对应 80x86 的 PDPT

硬件高速缓存

CPU 时钟频率是 DRAM 的数百倍，引入高速缓存减小速度差距。

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4
CPU 寄存器：1 个时钟周期
L1/L2 缓存：~几十个时钟周期
主存 DRAM：~上百个时钟周期
磁盘：~几千万个时钟周期

缓存结构

高速缓存由硬件高速缓存内存（存放行数据）和高速缓存控制器（存放表项数组）组成。每个表项包含：

  • 标签（tag）：辨别该行映射的内存单元
  • 状态 flag

物理地址分为三组：高几位=标签，中间几位=控制器子集索引，低几位=行内偏移量。

物理内存布局

保留的 1MB

Linux 内核安装在物理地址 0x00100000（第 2MB）开始处，前 1MB 被保留：

  • 页框 0：BIOS 使用（POST 期间存储硬件配置）
  • 0x000a00000x000fffff：BIOS 例程 + ISA 显卡内存（著名的 640KB1MB “hole”）

典型物理地址映射

开始 结束 类型
0x00000000 0x0009ffff Usable
0x000f0000 0x000fffff Reserved
0x00100000 0x07feffff Usable
0x07ff0000 0x07ff2fff ACPI data
0xffff0000 0xffffffff Reserved

进程页表

地址空间划分

  • 0x00000000 ~ 0xbfffffff：用户态和内核态均可访问
  • 0xc0000000 ~ 0xffffffff：仅内核态可访问

宏 PAGE_OFFSET = 0xc0000000 是内核生存空间的起始偏移量。

内核页表初始化

分为两个阶段：

  1. 临时内核页表：创建有限地址空间（内核代码/数据 + 128KB），映射 RAM 前 8MB，完成实模式→保护模式转换
  2. 完整页表：充分利用剩余 RAM，建立正式页表

内核映像装入内存后，CPU 仍运行于实模式，分页功能尚未启用。

临时页全局目录（swapper_pg_dir）通过填充 0、1、0x300（第 768 项）、0x301（第 769 项）四项来实现前 8MB 的映射。