linux内存管理-2

分段机制

linux规划进程空间使用分段的方法，我们来试试分段

分段机制下的虚拟地址由两部分组成，段选择子和段内偏移量。段选择子就保存在前面讲过的段寄存器里面。段选择子里面最重要的是段号，用作段表的索引。段表里面保存的是这个段的基地址、段的界限和特权等级等。虚拟地址中的段内偏移量应该位于 0 和段界限之间。如果段内偏移量是合法的，就将段基地址加上段内偏移量得到物理内存地址。

例如，我们将上面的虚拟空间分成以下 4 个段，用 0～3 来编号。每个段在段表中有一个项，在物理空间中，段的排列如下图的右边所示。

在 Linux 里面，段表全称段描述符表（segment descriptors），放在全局描述符表 GDT（Global Descriptor Table）里面，会有下面的宏来初始化段描述符表里面的表项。

c
#define GDT_ENTRY_INIT(flags, base, limit)			\
	{							\
		.limit0		= (u16) (limit),		\
		.limit1		= ((limit) >> 16) & 0x0F,	\
		.base0		= (u16) (base),			\
		.base1		= ((base) >> 16) & 0xFF,	\
		.base2		= ((base) >> 24) & 0xFF,	\
		.type		= (flags & 0x0f),		\
		.s		= (flags >> 4) & 0x01,		\
		.dpl		= (flags >> 5) & 0x03,		\
		.p		= (flags >> 7) & 0x01,		\
		.avl		= (flags >> 12) & 0x01,		\
		.l		= (flags >> 13) & 0x01,		\
		.d		= (flags >> 14) & 0x01,		\
		.g		= (flags >> 15) & 0x01,		\
	}

通过分析，我们发现，所有的段的起始地址都是一样的，都是 0。这算哪门子分段嘛！所以，在 Linux 操作系统中，并没有使用到全部的分段功能。那分段是不是完全没有用处呢？分段可以做权限审核，例如用户态 DPL 是 3，内核态 DPL 是 0。当用户态试图访问内核态的时候，会因为权限不足而报错。

其实 Linux 倾向于另外一种从虚拟地址到物理地址的转换方式，称为分页（Paging）。

分页机制

Linux的页表机制是虚拟内存管理的核心部分，它负责将虚拟地址转换为物理地址。下面将详细介绍Linux的页表机制。

一、概述 Linux使用了分页机制来管理虚拟内存，将虚拟地址空间划分为固定大小的页，通常为4KB。每个进程都有自己的页表，用于将虚拟地址映射到物理地址。

对于物理内存，操作系统把它分成一块一块大小相同的页，这样更方便管理，例如有的内存页面长时间不用了，可以暂时写到硬盘上，称为换出。一旦需要的时候，再加载进来，叫作换入。这样可以扩大可用物理内存的大小，提高物理内存的利用率。

二、页表结构 Linux的页表结构是多级的，通常包括页目录、页表和页三个级别。每个级别都有一个对应的页表项，用于存储地址映射信息。

页目录（Page Directory）：页目录是第一级的页表，用于将虚拟地址映射到页表。每个页目录项（Page Directory Entry）对应一个页表。
页表（Page Table）：页表是第二级的页表，用于将虚拟地址映射到页。每个页表项（Page Table Entry）对应一个页。
页（Page）：页是最终的映射单位，用于将虚拟地址映射到物理地址。

三、地址转换过程当一个进程访问虚拟地址时，Linux的页表机制会进行地址转换，将虚拟地址转换为物理地址。转换过程如下：

从虚拟地址中提取页目录索引、页表索引和页内偏移。
根据页目录索引找到对应的页目录项，获取页表的物理地址。
根据页表索引找到对应的页表项，获取页的物理地址。
将页的物理地址与页内偏移相加，得到最终的物理地址。

四、页表的优化为了提高页表的访问效率，Linux采用了一些优化技术，包括：

多级页表：通过多级页表结构，可以将整个虚拟地址空间划分为多个小的页表，减少了每个页表的大小，提高了访问效率。
页表缓存：Linux使用了TLB（Translation Lookaside Buffer）来缓存最近使用的页表项，减少了对内存的访问次数，提高了地址转换的速度。
延迟分配：Linux采用了延迟分配的策略，只有在真正访问到某个页时才会进行页表项的分配和映射，减少了内存的占用。

五、总结 Linux的页表机制是虚拟内存管理的核心，通过多级页表结构和优化技术，实现了高效的地址转换和内存管理。

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