本文主要是介绍《Linux内核编程》第十三章：Linux对进程内存的二级页式管理，希望对大家解决编程问题提供一定的参考价值，需要的开发者们随着小编来一起学习吧！
本文基于mstar801平台Linux2.6.35.11。
举例：
当我们通过系统调用fork创建子进程时，将完全复制父进程的页表、同时将该页表置为写保护。
之后，当父进程或子进程向地址空间写数据时，就会产生缺页异常、分配新的页、同时将两个页都置为可写。
目前Linux版本支持4级分页虚拟地址映射，可满足64位CPU的寻址要求。不过，ARM9的MMU只支持两级页表地址转换，而且两级能满足32位CPU的存储管理需求，因此、ARM体系只使用linux四级中的两级分页。
第一级：
全局页目录表(PGD)，系统运行时这个页表的首地址存放于ARM协处理器CP15的寄存器C2中；在进程调度切换时，操作系统不仅要切换SP和PC、也要切换这个C2，即每个进程都有自己的独立虚拟地址空间、也就有独立的全局页目录表PGD。
第二、三、四级：
程序中分别缩写为：
PUD——页上级目录
PMD——页中间目录
PTE——页表（最末级）
ARM存储体系支持的页的大小有几种——1M，64KB，4KB，1KB，支持的二级页表有两种：粗粒度和细粒度。在Linux中，ARM采用了粗粒度页表4K页的模式：其中一级索引地址有效位为11bit；二级索引地址有效位为9bit、页内偏移量为12bit。这就是一个32位虚拟地址的组成。
4KB的页大小决定了虚拟地址的低12bit留做偏移地址用（因为2^12 = 4096 = 4KB），也决定了二级页描述符的低12位用作用户标志，4KB的页大小还决定了虚拟地址空间最多可以映射出（4GB/4KB = 1024 * 1024）个页。
ARM体系下物理内存和虚拟内存按照4KB的大小进行分页，页索引表分为两级，其中全局一级页表PGD一个，表中含有2048个条目(一级索引地址有效位为11bit)、每个条目对应一个二级页表物理首地址；每个二级页表（PMD或PTE）中含有512个条目(二级索引有效位9bit)、每个条目对应一页物理首地址。可以理解为：2048 * 512 = 1024 * 1024个4KB，即4GB。
即一个虚拟的32位地址可以表示如下：
11bit + 9bit + 12bit分别表示：该进程PGD中的哪个PMD/PTE；某个PMD/PTE中的哪个页；以及某个页中的具体地址。
下面看具体定义：
kernel2.6.35.11/arch/arm/include/asm/pgtable.h
#define PTRS_PER_PTE 512
#define PTRS_PER_PMD 1
#define PTRS_PER_PGD 2048
......
#define PMD_SHIFT 21
#define PGDIR_SHIFT 21简而言之，ARM在Linux下二级分页为：
虚拟地址——>PGD转换——>PTE转换——>物理地址
一、看看Linux用户进程的页表分配
以下基于mstar801平台Linux2.6.35.11。
1.jb/bionic/libc/bionic/fork.c
#include <unistd.h>
#include "pthread_internal.h"
#include "bionic_pthread.h"
#include "cpuacct.h"
extern int __fork(void);
int fork(void)
{......int ret;ret = __fork();......
}2.jb/bionic/libc/arch-arm/syscalls/__fork.S
ENTRY(__fork).save {r4, r7}stmfd sp!, {r4, r7}ldr r7, =__NR_forkswi #0ldmfd sp!, {r4, r7}movs r0, r0bxpl lrb __set_syscall_errno
END(__fork)============================================
3.系统调用表
kernel2.6.35.11/arch/arm/include/asm/unistd.h
#define __NR_fork (__NR_SYSCALL_BASE+ 2)4.实现
kernel2.6.35.11/arch/arm/kernel/entry-common.S
sys_fork_wrapper:add r0, sp, #S_OFFb sys_fork
ENDPROC(sys_fork_wrapper)kernel2.6.35.11/arch/arm/kernel/sys_arm.c
asmlinkage int sys_fork(struct pt_regs *regs)
{
#ifdef CONFIG_MMUreturn do_fork(SIGCHLD, regs->ARM_sp, regs, 0, NULL, NULL);
#else/* can not support in nommu mode */return(-EINVAL);
#endif
}5.do_fork函数
kernel2.6.35.11/kernel/fork.c
long do_fork(unsigned long clone_flags,unsigned long stack_start,struct pt_regs *regs,unsigned long stack_size,int __user *parent_tidptr,int __user *child_tidptr)
{......p = copy_process(clone_flags, stack_start, regs, stack_size,child_tidptr, NULL, trace);......
}
......
static struct task_struct *copy_process(unsigned long clone_flags,unsigned long stack_start,struct pt_regs *regs,unsigned long stack_size,int __user *child_tidptr,struct pid *pid,int trace)
{......if ((retval = copy_mm(clone_flags, p)))......
}
......
static int copy_mm(unsigned long clone_flags, struct task_struct * tsk)
{struct mm_struct * mm, *oldmm;......mm = dup_mm(tsk);......
}
......
struct mm_struct *dup_mm(struct task_struct *tsk)
{struct mm_struct *mm, *oldmm = current->mm;......if (!mm_init(mm, tsk))......
}
......
static struct mm_struct * mm_init(struct mm_struct * mm, struct task_struct *p)
{......if (likely(!mm_alloc_pgd(mm))) {......
}
......
static inline int mm_alloc_pgd(struct mm_struct * mm)
{mm->pgd = pgd_alloc(mm);if (unlikely(!mm->pgd))return -ENOMEM;return 0;
}6.看看pgd分配函数，清楚Linux进程为什么共享内核地址空间：
kernel2.6.35.11/arch/arm/mm/pgd.c
pgd_t *pgd_alloc(struct mm_struct *mm)
{......new_pgd = (pgd_t *)__get_free_pages(GFP_KERNEL, 2); //新分配一级页表......memset(new_pgd, 0, USER_PTRS_PER_PGD * sizeof(pgd_t)); //0～3GB页表初始化为0......init_pgd = pgd_offset_k(0);memcpy(new_pgd + USER_PTRS_PER_PGD, init_pgd + USER_PTRS_PER_PGD,(PTRS_PER_PGD - USER_PTRS_PER_PGD) * sizeof(pgd_t)); //3～4GB页表来源与kernel初始化时的页表，即共享内核页表......new_pud = pud_alloc(mm, new_pgd, 0);......new_pmd = pmd_alloc(mm, new_pud, 0);......new_pte = pte_alloc_map(mm, NULL, new_pmd, 0);......return new_pgd;......
}kernel2.6.35.11/arch/arm/include/asm/pgtable.h
/* to find an entry in a page-table-directory */
#define pgd_index(addr) ((addr) >> PGDIR_SHIFT)#define pgd_offset(mm, addr) ((mm)->pgd + pgd_index(addr))/* to find an entry in a kernel page-table-directory */
#define pgd_offset_k(addr) pgd_offset(&init_mm, addr)二、看看Linux内核页表的建立
其中，init_mm是linux内核启动时分配的内核页表：
kernel2.6.35.11/init/main.c
asmlinkage void __init start_kernel(void)
{......setup_arch(&command_line);......
}kernel5.6.35.11/arch/arm/kernel/setup.c
void __init setup_arch(char **cmdline_p)
{......init_mm.start_code = (unsigned long) _text;init_mm.end_code = (unsigned long) _etext;init_mm.end_data = (unsigned long) _edata;init_mm.brk = (unsigned long) _end;......
}这篇关于《Linux内核编程》第十三章：Linux对进程内存的二级页式管理的文章就介绍到这儿，希望我们推荐的文章对编程师们有所帮助！
