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【Note】《深入理解Linux内核》 Chapter 5 ：内存地址的表示——Linux虚拟内存体系结构详解

news 2025/7/3 6:50:22

《深入理解Linux内核》 Chapter 5 ：内存地址的表示——Linux虚拟内存体系结构详解

摘要： 物理地址与虚拟地址的关系，用户态与内核态地址空间划分，页表结构及其在32位和64位体系中的实现，线性地址与段机制，Linux页表维护与映射接口分析

一、引言

Linux 内核基于现代操作系统的核心设计原则：虚拟内存（Virtual Memory）。这一机制不仅为每个进程提供了独立的地址空间，提高了安全性和稳定性，也极大简化了内存管理和资源共享。本章深入探讨了内存地址表示机制的核心概念，主要包括：

物理地址与虚拟地址的映射关系
虚拟地址结构：线性地址、页地址
Linux对用户空间和内核空间的划分
页表的层级结构和访问方式
分页机制与段机制的结合
实现中关键结构与内核API

深入理解 Linux 如何建立进程隔离与统一内存管理机制，为后续页表操作、内存分配与调页机制打下理论基础。

二、物理地址与虚拟地址

2.1 物理地址（Physical Address）

是内存芯片上的实际地址，由 CPU 通过内存总线访问；
通常由内存控制器和硬件平台定义；
操作系统管理整个物理内存的使用，避免进程直接访问。

2.2 虚拟地址（Virtual Address）

是进程或内核中代码看到的地址；
每个进程看到的虚拟地址空间是隔离的；
通过内核维护的页表映射到真实物理地址。

目的：通过虚拟地址，操作系统实现了地址空间的隔离、权限控制、内存共享和需求分页等机制。

三、内核空间与用户空间

3.1 地址空间划分（以32位为例）

在32位体系结构中（如 x86），虚拟地址为32位，即最多表示 4GB 空间。Linux 对这4GB空间进行了划分：

区域	范围	描述
用户空间	0x00000000 ~ 0xBFFFFFFF	进程可见，仅能访问自己的用户空间
内核空间	0xC0000000 ~ 0xFFFFFFFF	所有内核代码共享，不对用户可见

高端内存（High Memory）：不直接映射入内核虚拟空间的物理内存；
内核空间对所有进程共享，因此访问时需注意并发与上下文保护。

3.2 64位架构划分（x86_64）

在x86_64上，地址空间更广泛：

虚拟地址宽度常为48位，支持 256TB 地址空间；
Linux 通常将内核空间放在高地址区（如从 0xffff800000000000 开始）；
用户空间仍然从 0 开始，进程各自独立。

#define TASK_SIZE 0x00007ffffffff000 // 用户空间最大地址（x86_64）

四、线性地址与分页机制

4.1 段机制与线性地址

尽管 Intel x86 支持段机制（段寄存器、段描述符等），Linux 实际上将段机制简化为平坦模型：

所有段（CS、DS、SS）都从 0 开始，长度覆盖全部地址空间；
线性地址（Linear Address）= 段基址 + 虚拟地址；
简化后，线性地址与虚拟地址几乎等价。

4.2 分页机制

分页机制将线性地址划分为页目录 + 页表项 + 页内偏移等多级结构。

32位 x86 分页结构：

页大小：4KB（2^12）
线性地址结构：

位段范围	作用
31~22 (10位)	页目录项索引 PDE
21~12 (10位)	页表项索引 PTE
11~0 (12位)	页内偏移

页表结构说明：

每个页表或目录项大小为 4 字节（32位）；
每页 4KB，可存 1024 个项；
整个页表结构可映射 1024 * 1024 * 4KB = 4GB 地址空间。

64位分页结构（x86_64）：

四级页表结构：PGD → PUD → PMD → PTE；
每级使用9位地址偏移（加上12位页偏移，共48位）；
页大小仍为4KB或更大（如2MB、1GB HugePage）；

五、内核页表结构与数据结构

5.1 内核关键结构

pgd_t：页全局目录项（Page Global Directory）
pud_t：页上层目录项
pmd_t：页中间目录项
pte_t：页表项

每个结构由typedef定义，包含实际硬件页项及辅助宏。

5.2 每个进程的页表

每个进程结构体 task_struct 包含 mm_struct *mm 指针；
mm_struct 内含 pgd_t *pgd，指向该进程页表根；
active_mm 是当前激活的页表，在内核线程中使用。

struct mm_struct {pgd_t *pgd;...
};

5.3 虚拟地址到物理地址映射过程

从虚拟地址提取 PGD 索引 → 获取PGD项；
使用 PUD 索引 → 获取 PUD；
然后 PMD → PTE；
最后 PTE 中存储物理页帧号（PFN）；
加上页内偏移，得到物理地址。

5.4 内核页表宏定义

#define pgd_index(addr)     (((addr) >> PGDIR_SHIFT) & (PTRS_PER_PGD - 1))
#define pte_index(addr)     (((addr) >> PAGE_SHIFT) & (PTRS_PER_PTE - 1))

六、虚拟地址映射方式

Linux提供不同的虚拟地址映射方式：

6.1 恒定映射（恒等映射）

在启动阶段，内核将物理地址映射到固定虚拟地址区域（如 PAGE_OFFSET + phys_addr），常用于低端内存。

示例：__va(p) / __pa(v) 宏可在虚拟与物理地址间转换。

6.2 高端内存映射（Highmem）

由于32位系统虚拟地址有限，不能映射所有物理内存。内核使用以下机制：

kmap() / kunmap()：临时将高端页映射入内核空间；
kmap_atomic()：不可被中断打断的高速映射；
用于访问超过直接映射范围的页帧。

6.3 ioremap 映射外设内存

I/O设备（PCI、MMIO）的物理地址不能通过常规内存页访问，需使用 ioremap() 创建虚拟映射：

void __iomem *vaddr = ioremap(phys_addr, size);

这种映射不可被缓存，常用于寄存器访问。

七、Linux地址宏与辅助工具

常用宏

宏/函数	功能
`__pa(vaddr)`	虚拟地址转物理地址
`__va(paddr)`	物理地址转虚拟地址
`virt_to_phys()`	与__pa类似，但适用于内核地址
`phys_to_virt()`	物理地址映射回虚拟地址
`page_address()`	页结构体转为虚拟地址