关于Linux中shell 等知识的一些笔记(关于Linux中卸载分区,下面描述正确的是)
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2022-05-29
作 者:道哥,10+年嵌入式开发老兵,专注于:
C/C++、嵌入式、linux
。
目录
问题描述
处理器接收的是线性地址,不是物理地址
对页目录进行操作
一级查表:构造线性地址的前 10 位,来确定页表的物理地址
二级查表:构造线性地址的中间 10 位,来确定“普通页”的物理地址
三级查表:构造线性地址的最后 12 位,来确定页“普通页”的页内偏移量
三个地址段合体
对页表进行操作
一级查表
二级查表
三级查表
在 x86 系统中,内存管理中的
分页机制
是非常重要的,在Linux操作系统相关的各种书籍中,这部分内容也是重笔浓彩。
如果你看过 Linux 内核相关书籍,一定对下面这张图又熟悉、又恐惧:
这是 Linux 系统中,页处理单元的
多级页表
查询方式。
其中黄色背景部分:页上级目录索引 和 页中间目录索引,是
Linux 系统自己扩展的
,在原本的 x86 处理器中是不存在的,这也是导致 Linux 中相关部分代码更加复杂的原因。
在上一篇文章中,我们主要对 x86 中的页目录和页表的
“反向构造”、“正向查找”
这两个过程进行了图文并茂的讨论。文章链接在此:Linux从头学15:【页目录和页表】-理论 + 实例 + 图文的最完全、最接地气详解,但是其中有一个环节被特意
忽略
过去了。
那就是:在操作系统构造
页目录和页表
的时候,如何对它们
自身
进行寻址和操作?
这部分内容,也是内存管理中比较复杂的地方,就好比一名医生给病人做手术,但是病人却是
“医生自己”
。
这篇文章,我们继续通过
图片+实例
的方式,一起来研究一下内核代码一般都是如何来进行这些“自操作”的。
把这里面的操作机制研究透彻之后,再去看 Linux 内核代码时,就不会晕头转向了。
问题描述
在上一篇文章中,我们举了这样一个示例:
假设实际的物理内存是1 GB;
用户程序文件在硬盘上的长度是20 MB;
操作系统把用户程序加载到内存中时,从 0x4000_0000 的虚拟内存地址处开始存放;
操作系统读取程序结束后,为所有的地址构造好了页目录和页表;
如下图所示:
页目录和页表的每一个有效表项中,存储的地址都是一个个实实在在的
物理页的前 20 位
(因为一个物理页的长度固定是 4KB,在分配时都是对齐的,
末尾的 12 位全部为 0
)。
并且页目录和页表“们”自身,都占用
一个物理页
的空间,所以它们都有自己的物理地址。
当页目录和页表都构造妥当之后,
处理器
面对一个
线性地址
,例如:0x4100_1800,页处理单元就会按照分级查表的方式,把这个
线性
地址转换为一个
物理
地址:
拆分线性地址:0x4100_1800 = 0100_0001_0000_0000___0001_1000_0000_0000;
根据线性地址的前 10 位,找到页目录中的索引 260,从而确定页表的物理地址是 0x0800_4000(表项中的值是 0x08004,还要补上低位的 12 个 0);
根据线性地址的中间 10 位,找到 0x0800_4000 这个页表中的索引 1,从而确定普通物理页的物理地址是 0x0210_1000(表项中的值是 0x02101,还要补上低位的 12 个 0);
根据线性地址的最后 12 位,确定普通页内的偏移量是 2048,普通页的开始地址加上这个偏移量,就得到了最终的物理地址 0x0210_1800。
详细的讨论过程,请参考上一篇文章:Linux从头学15:【页目录和页表】-理论 + 实例 + 图文的最完全、最接地气详解。
那么,问题来了:
在页处理单元开启的情况下,处理器面对的是线性地址,那么操作系统在构造页目录中的每一个表项的时候,如何对这个表项进行寻址?
具体到上图来说就是:操作系统想把第一个
页表
的物理地址 0x0800_0000,填写到
页目录
的第 256 个表项中时,那么 CPU 就需要找到这个表项,这个表项肯定有物理地址的。
但是,我们不能把这个表项的
物理
地址直接告诉 CPU,因为 CPU 只接收
线性
地址,它会自动经过分页单元的处理来得到对应的
物理
地址。
那么,
这个线性地址的值应该是多少呢?
继续用实例来说明,这样容易理解。
假设
页目录
所处的
物理页开始地址
是 0x0100_0000,那么第256个表项的
物理地址
就是 0x0100_0400。
有些小伙伴可能会说:直接把
物理
地址 0x0100_0400 告诉处理器,不就可以了吗?
这是
不对的
!
因为现在已经
开启了分页处理单元
,0x0100_0400 是我们最后想得到的
物理地址
,而处理器只接受
线性地址
,虽然我们知道这是一个物理地址,但是处理器不知道啊!
当我们给处理器一个地址的时候,处理器会按部就班的对这个地址进行[段转换],再进行[页转换],这时才得到它认为的物理地址。
由于使用的是“平坦型”的段结构,所以这里就忽略了段处理过程,直接讨论页处理过程。
所以,我们应该使用某些方法,
构造出一个线性地址 addr
,让这个地址经过页处理单元之后,得到 0x0100_0400 这个
物理
地址:
这里有点递归的味道,又有点像一个医生给他自己做一个外科手术!
现在,应该明白面对的问题了吧?
目标就是
:通过某种方法,构造出一个线性地址addr,并且通过页处理单元转换之后,得到
物理
地址 0x0100_0400。
对页目录进行操作
重新梳理一下思路:如果对一个
普通物理页
(下文简称为:普通页)里的一个地址处的数据进行操作,需要经过3次查表操作:
从页表的某个表项中,找到的那个物理地址,就是最后要操作的普通物理页。
现在我们的问题是:
需要把页目录作为最终的操作对象。
也就是说,
从页表中找到的“普通页”的物理地址,应该等于页目录的物理地址!
作为一名软件开发人员,递归思想都是有的。
我们就来构造一个
线性地址 addr
,让它经过3次查表操作之后,能够指向
页目录的物理地址
。
一级查表:
查找的对象是页目录
。
线性地址addr的前10位,决定了页目录内的索引。
很显然,需要让这个索引对应的那个表项中所登记的地址,必须是指向
页目录自己
才可以。
常用的解决方案是:利用页目录中的最后一个表项,让这个表项中记录的地址,
指向页目录自己
,如下图所示:
也就是说,
预先在页目录的最后一个表项中,填入页目录自己的物理地址
,然后只要线性地址addr前10位的值为1023,就能够得到这个表项。
很容易就能得到addr的前10位应该是:0x3FF(二进制:1111_1111_11)。
由于这个表项中存储的地址是页目录自己的开始地址(0x0100_0000, 最后的12个0是自动补上的),这样就相当于:下面进入第二级查找时,
页目录即将被当做“页表”来使用
。
如下图所示:
这里红色虚线的
“页表”
其实就是
页目录自己
,只是一个影子而已。
二级查表:
查找的对象是页表,也就是一级查表得到的那个“页表”
。
虽然一级查表的结果是
页目录自己
,但是处理器不管这些,它会把这个表
当做页表
来使用。
现在,来考虑
线性
地址addr的中间10位,它决定了页表中的索引号。
很显然,需要继续让这个索引号对应的那个表项中,记录的地址必须继续
指向页目录自己
。
那就继续利用这个“页表”(其实它是页目录)中的最后一个表项呗,就是index = 1023的这个表项。
这个表项中存储的物理地址,即将是最终查表得到的
“普通页”
的物理地址了。
由于这个表项中,被预先填写了0x01000,补上尾部的12个0之后就是 0x0100_0000,仍然
指向页目录自己
,完美!
于是,就得到了中间10位的结果:0x3FF(二进制:11_1111_1111)。
如下图所示:
最右面红色虚线的
“物理页”
,就是二级查找的结果,它本质上
仍然是页目录本身,只不过它即将被当做一个普通物理页来使用
。
现在,已经构造出了线性地址addr(这是我们的最终目标)的前20位,并且经过页表的前两级查表,成功的定位到了页目录自己!
就差最后一步了!
我们知道,从
线性
地址到
物理
地址的转换过程中,最后的12位表示页内偏移,是直接从线性地址中取过来的。
也就是说:线性地址 与 物理地址 的最后12位偏移量,值是
一样的
!
所以,我们就反过来倒推一下:
我们最终想操作的是页目录中第256个表项,它的
物理
地址是 0x0100_0400,这个物理地址距离这个页目录开始位地址的
偏移量
是:0x400(0x0100_0400 减去 0x0100_0000)。
因此,线性地址addr中的最后12位的值也应该是0x400。
把上面三个步骤中,得到的地址聚合在一起:
0xFFFF_F400 就是最终想得到的
线性地址
!
也就是说,我们只要把这个线性地址 0xFFFF_F400 告诉
处理器
,它就会经过页处理单元的转换,最终查找到
页目录
这个物理页中的第 256个表项,也就是
物理地址
0x0100_0400。
例如:mov [0xFFFF_4000], xxxx
以上就是操作系统在操作页目录
自身
时,所采取的策略。
具体到每个操作系统来说,可能稍微有差别,但是其中的道理都是差不多的。
例如本文开头的第一张图中,Linux 使用了4级表格来查找,并且
中间
的两个表格还可以省略不用。
如何跨过中间的这两个表格,Linux内核代码中的代码更复杂一些,但是策略都是一样的。
对页表进行操作
既然已经弄明白了操作系统是如何操作
页目录
的,那么对
页表
的操作就不是什么大问题了。
比如下面这张图:
目标:把最右面的
普通物理页
地址 0x0200_0000,放入 0x0800_0000 这个
页表
的第一个表项中(只需要存储前20位),那么应该传递什么样的
线性
地址给处理器?
思路是完全一样的。
按照正常的分页查找流程,从页目录的某个表项中,查找我们想操作的那个
页表
。
页目录中的这个表项位于索引值256的地方,因此可以构造出线性地址的前10位是:0100_0000_00(0x100)。
所以,经过
一级查表
得到的这个页表的物理地址是 0x0800_0000。
利用这个页表的最后一个表项(index = 1023),预先填写一个地址(0x08000),让它指向这个
页表自己
的开始物理地址。
于是,可以构造出
线性
地址的中间10位是:11_1111_1111(0x3FF)。
由于这个表项中存储的地址是0x0800_0000,指向的正是页表自己,只不过马上它就被
当作普通物理页
被使用。
此时,已经找到最后的普通物理页了(其实它是一个页表,被当作普通物理页使用)。
线性
地址的最后12位,可以直接从最后想操作的那个目标
物理
地址中最后12位直接拿过来。
我们的目标是:操作页表中的
第 0 个
表项,这个表项的物理地址是 0x0800_0000,最后的12位偏移量是 0000_0000_0000。
把以上3个地址段合体,即可得到正确的
线性地址
:
这里讨论的方法,
并不是处理页目录和页表的唯一方式
。
当处理逻辑更加复杂时,可能需要对
页目录或页表
中更多的表项,进行一些特殊的预处理。
如果你想挑战一下,可以看一下Linux内核中的相关文档或代码!
在这个系列中,关于
页目录和页表
的知识点就介绍结束了。
如果文中有错误或者误导的地方,非常期待与您一起探讨、学习!
写这篇文章真不容易,让我深深的体会到那句话:
写作就是:将网状的思考-通过树状的结构-用线性的语言清晰的表达出来。
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