标题: 探索 Linux 内存模型（1） [打印本页]

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作者: look_w    时间: 2018-5-18 21:10     标题: 探索 Linux 内存模型（1）

理解 Linux 使用的内存模型是从更大程度上掌握 Linux 设计和实现的第一步，因此本文将概述 Linux 内存模型和管理。
Linux 使用的是单一整体式结构 (Monolithic)，其中定义了一组原语或系统调用以实现操作系统的服务，例如在几个模块中以超级模式运行的进程管理、并发控制和内存管理服务。尽管出于兼容性考虑，Linux 依然将段控制单元模型 (segment control unit model) 保持一种符号表示，但实际上已经很少使用这种模型了。
与内存管理有关的主要问题有：

• 虚拟内存的管理，这是介于应用程序请求与物理内存之间的一个逻辑层。
• 物理内存的管理。
• 内核虚拟内存的管理/内核内存分配器，这是一个用来满足对内存的请求的组件。这种对内存的请求可能来自于内核，也可能来自于用户。
• 虚拟地址空间的管理。
• 交换和缓存。

本文探讨了以下问题，可以帮助您从操作系统中内存管理的角度来理解 Linux 的内幕：

• 段控制单元模型，通常专用于 Linux
• 分页模型，通常专用于 Linux
• 物理内存方面的知识

虽然本文并没有详细介绍 Linux 内核管理内存的方法，但是介绍了有关整个内存模型的知识以及系统的寻址方式，这些介绍可为您进一步的学习提供一个框架。本文重点介绍的是 x86 架构，但本文中的知识对于其他硬件实现同样适用。
x86 内存架构在 x86 架构中，内存被划分成 3 种类型的地址：

• 逻辑地址 (logical address) 是存储位置的地址，它可能直接对应于一个物理位置，也可能不直接对应于一个物理位置。逻辑地址通常在请求控制器中的信息时使用。
• 线性地址 (linear address) （或称为 平面地址空间）是从 0 开始进行寻址的内存。之后的每个字节都可顺序使用下一数字来引用（0、1、2、3 等），直到内存末尾为止。这就是大部分非 Intel CPU 的寻址方式。Intel® 架构使用了分段的地址空间，其中内存被划分成 64KB 的段，有一个段寄存器总是指向当前正在寻址的段的基址。这种架构中的 32 位模式被视为平面地址空间，不过它也使用了段。
• 物理地址 (physical address) 是使用物理地址总线中的位表示的地址。物理地址可能与逻辑地址不同，内存管理单元可以将逻辑地址转换成物理地址。

CPU 使用两种单元将逻辑地址转换成物理地址。第一种称为分段单元 (segmented unit)，另外一种称为分页单元 (paging unit)。
图 1. 转换地址空间使用的两种单元下面让我们来介绍一下段控制单元模型。
段控制单元模型概述这种分段模型背后的基本思想是将内存分段管理。从本质上来说，每个段就是自己的地址空间。段由两个元素构成：

• 基址 (base address) 包含某个物理内存位置的地址
• 长度值 (length value) 指定该段的长度

分段地址还包括两个组件 —— 段选择器 (segment selector) 和段内偏移量 (offset into the segment)。段选择器指定了要使用的段（即基址和长度值），而段内偏移量组件则指定了实际内存位置相对于基址的偏移量。实际内存位置的物理地址就是这个基址值与偏移量之和。如果偏移量超过了段的长度，系统就会生成一个保护违例错误。
上述内容可小结如下：

1 2	分段单元可以表示成 -> 段: 偏移量 模型 也也可表示成 -> 段标识符: 偏移量

每个段都是一个 16 位的字段，称为段标识符 (segment identifier) 或段选择器 (segment selector)。x86 硬件包括几个可编程的寄存器，称为 段寄存器 (segment register)，段选择器保存于其中。这些寄存器为 cs（代码段）、ds（数据段）和 ss（堆栈段）。每个段标识符都代表一个使用 64 位（8 个字节）的段描述符 (segment descriptor) 表示的段。这些段描述符可以存储在一个 GDT（全局描述符表，global descriptor table）中，也可以存储在一个 LDT（本地描述符表，local descriptor table）中。
图 2. 段描述符和段寄存器的相互关系每次将段选择器加载到段寄存器中时，对应的段描述符都会从内存加载到相匹配的不可编程 CPU 寄存器中。每个段描述符长 8 个字节，表示内存中的一个段。这些都存储到 LDT 或 GDT 中。段描述符条目中包含一个指针和一个 20 位的值（Limit 字段），前者指向由 Base 字段表示的相关段中的第一个字节，后者表示内存中段的大小。
其他某些字段还包含一些特殊属性，例如优先级和段的类型（cs 或 ds）。段的类型是由一个 4 位的 Type 字段表示的。
由于我们使用了不可编程寄存器，因此在将逻辑地址转换成线性地址时不引用 GDT 或 LDT。这样可以加快内存地址的转换速度。
段选择器包含以下内容：

• 一个 13 位的索引，用来标识 GDT 或 LDT 中包含的对应段描述符条目
• TI (Table Indicator) 标志指定段描述符是在 GDT 中还是在 LDT 中，如果该值是 0，段描述符就在 GDT 中；如果该值是 1，段描述符就在 LDT 中。
• RPL (request privilege level) 定义了在将对应的段选择器加载到段寄存器中时 CPU 的当前特权级别。

由于一个段描述符的大小是 8 个字节，因此它在 GDT 或 LDT 中的相对地址可以这样计算：段选择器的高 13 位乘以 8。例如，如果 GDT 存储在地址 0x00020000 处，而段选择器的 Index 域是 2，那么对应的段描述符的地址就等于 (2*8) + 0x00020000。GDT 中可以存储的段描述符的总数等于 (2^13 - 1)，即 8191。
图 3 展示了从逻辑地址获得线性地址。
图 3. 从逻辑地址获得线性地址那么这在 Linux 环境下有什么不同呢？

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