圖文詳解Linux分頁機(jī)制

分頁機(jī)制是 80x86 內(nèi)存管理機(jī)制的第二種機(jī)制，分段機(jī)制用于把虛擬地址轉(zhuǎn)換為線性地址，而分頁機(jī)制用于把線性地址轉(zhuǎn)換為物理地址。分頁機(jī)制可以用于任何一種分段機(jī)制，也可以理解為先有分段機(jī)制才有分頁機(jī)制，這是由于歷史原因，分段機(jī)制要比分頁機(jī)制更輕，先出現(xiàn)的分段后出現(xiàn)的分頁。

處理器的分頁機(jī)制用于把線性地址劃分成一個個的頁面，這些劃分成頁面的線性地址會被映射到物理空間的頁面上。

我們知道分段的保護(hù)措施有兩種，一種是利用任務(wù)之間的保護(hù)；一種是利用內(nèi)存段和寄存器之間的保護(hù)。

分頁機(jī)制有幾種頁面級的保護(hù)措施，分段機(jī)制和保護(hù)措施可以和分頁機(jī)制的保護(hù)措施一起使用，也可以使用分頁機(jī)制的保護(hù)措施替換分段機(jī)制的保護(hù)。

比如分頁機(jī)制可以在頁面的基礎(chǔ)上加強(qiáng)讀/寫保護(hù)。另外，在頁面單元上，分頁機(jī)制還提供了用戶和超級用戶兩級保護(hù)。

分頁機(jī)制可以通過 CR0 控制寄存器的 PG 這個標(biāo)志位來判斷是否開啟分頁機(jī)制；如果 PG = 1 ，則表示啟用分頁操作，處理器會使用本節(jié)描述的機(jī)制將線性地址轉(zhuǎn)換為物理地址。如果 PG = 0，則表示禁用分頁機(jī)制，此時分段產(chǎn)生的線性地址會被直接用作物理地址。

分段機(jī)制和分頁機(jī)制還有一個區(qū)別就是：分段機(jī)制可以在任意可變長度的內(nèi)存上進(jìn)行操作，而分頁機(jī)制只能對固定大小的頁面（內(nèi)存塊）進(jìn)行操作。分頁機(jī)制把線性和物理地址空間都劃分成頁面。線性地址空間中的頁面都可以映射在物理地址空間內(nèi)，如下圖所示。

80x86 使用 4K (2 ^ 12) 字節(jié)固定大小的頁面，每個頁面均是 4KB，并且對齊于 4KB 地址邊界處。這表示分頁機(jī)制會把 4GB 劃分成為以 4KB 為基礎(chǔ)的頁面，共劃分 1M（1048576） 個，線性地址的低 12 bit 位可以直接作為頁內(nèi)偏移量，也可直接作為物理地址的低 12 位。

現(xiàn)在我們知道線性地址空間會經(jīng)過分頁機(jī)制映射到物理內(nèi)存空間上，這是一個正常能夠映射到的情況，如果映射不到怎么辦？也就是說包含線性地址空間的頁面不在物理內(nèi)存中怎么辦？此時處理器就會產(chǎn)生一個頁錯誤異常。頁錯誤異常的處理程序會讓操作系統(tǒng)從磁盤中把相應(yīng)的頁面加載到物理內(nèi)存中。當(dāng)頁面加載到物理內(nèi)存中后，會從異常處理程序中返回，使得處于異常指令的位置繼續(xù)向下執(zhí)行指令。

頁錯誤異常是分頁機(jī)制實現(xiàn)換入換出過程中出現(xiàn)頻次非常高的一種異常機(jī)制，它就好像 bug 一樣如影隨形，而且頻繁的頁面換入換出操作會很耗費(fèi)處理器資源，所以為了減少頻繁換入換出的操作，采用了一種局部性原理的方式：把經(jīng)常訪問的頁目錄和相關(guān)頁 "保存" 起來，這里采用了一種硬件實現(xiàn)，即轉(zhuǎn)換查找緩沖區(qū)（Translation Lookaside Buffer）。有了 TLB，處理器會先從 TLB 中查找相關(guān)頁，TLB 中不存在的頁才會從內(nèi)存中進(jìn)行讀取，此時的 TLB 相當(dāng)于是內(nèi)存的一個副本。

頁表結(jié)構(gòu)

頁表中每個頁表項的大小為 32 位，其中 20 位來存放物理基地址，剩余的 12 位存放可用于存放頁面是否存在等屬性信息。如果線性地址索引的頁表項被標(biāo)注為存在，則表示該項有效，我們可以從中取得物理地址；如果線性地址索引的頁表項不存在，那么訪問物理頁面就會產(chǎn)生異常。

下面是一個線性地址到物理地址的變換過程圖。

可以看到，80x86 使用了兩級頁，這是為了減少頁的數(shù)量所設(shè)計的，因為雖然每個頁字節(jié)是 4K，共有 2 ^ 20 （1MB）個頁，總共占據(jù) 4MB 大小，但實際上應(yīng)用程序一次用不到這么多頁，會造成資源浪費(fèi)，所以采用了一種分層的設(shè)計方式。

第一級稱為頁目錄（page directory），它被存放在 1 個 4K 頁面中，因為一共有 2 ^ 10 次方（1 MB）個頁目錄，每個目錄是 4 字節(jié)，所以是在一個 4K 頁面中。線性地址的最高十位（22 - 31 位）用作一級表（頁目錄）中的索引來訪問二級表。

第二級稱為頁表（page table），它和頁目錄一樣，也是占據(jù)一個頁面，最多含有 1K 個 4 字節(jié)的頁表。頁表項會存儲 20 位的物理地址，線性地址中的 12 - 21 位作為頁表的索引，用于獲取含有 20 位物理地址的頁表項。頁表項的 20 位物理基地址和線性地址中的低 12 位一起合成最終的 32 位物理地址。

頁表項結(jié)構(gòu)

現(xiàn)在我們知道線性地址的低 12 位和頁表存儲的 20 位可以合成物理地址，頁表項除了能夠存儲地址外，還有一些其他的屬性，下面是頁表項的結(jié)構(gòu)圖。

這里需要特別注意的是，頁目錄的結(jié)構(gòu)和頁表的結(jié)構(gòu)是一樣的，只不過他倆描述的主體不一樣，一個描述的是頁目錄，一個描述的是頁表。

P -- 位 0 是存在（Present）標(biāo)志，用于指明表項對地址轉(zhuǎn)換是否有效。P = 1 表示有效，P = 0 表示無效，在頁的轉(zhuǎn)換過程中，如果說涉及的頁目錄或頁表的表項無效，也就是頁面沒有再物理地址中，就會產(chǎn)生一個異常。如果 P = 0 ，那么除了表項無效外，其余的 bit 位可以自由使用。

R/W -- 位 1 是讀/寫（Read/Write）標(biāo)志，當(dāng) R/W = 1 時，表示該頁可以被讀、寫和執(zhí)行；當(dāng) R/W = 0 時，表示該頁只讀或可執(zhí)行；當(dāng)處理器運(yùn)行在超級用戶權(quán)限下（0、1、2）時，此位不會發(fā)生作用。

U/S -- 位 2 是用戶/超級用戶（User/Supervisor）標(biāo)識，如果此位為 0 ，表示任意特權(quán)級下面的應(yīng)用程序都可以訪問，如果此位為 1 ，那么頁面只能允許在特權(quán)級為 0、1、2 也就是超級用戶特權(quán)級下才能訪問。

A -- 位 5 是已訪問（Accessed）標(biāo)志，此位僅用于統(tǒng)計頁面的訪問情況，如果頁面已經(jīng)訪問過，就會置 1，但是操作系統(tǒng)會通過定期復(fù)位來重置此標(biāo)識位。

D -- 位 6 是頁面已修改（Dirty）標(biāo)志，也就是我們常說的"臟位"，當(dāng)處理器對頁面執(zhí)行寫操作時，就會設(shè)置對應(yīng)頁面的 D 標(biāo)志。

AVL -- 保留字段，這個字段專門提供給程序使用。

根據(jù)上面字段的描述，可以看到頁目錄和頁表項中的 P 位為分頁技術(shù)的虛擬存儲提供了必要的標(biāo)識，若線性地址空間中的頁面存在于物理內(nèi)存中，那么對應(yīng)的表項 P = 1，并且該表項中含有相應(yīng)的物理地址。頁面不在物理內(nèi)存中的表項 P = 0 。如果程序訪問物理內(nèi)存中不存在的頁面，處理器就會產(chǎn)生一個缺頁異常。此時操作系統(tǒng)就會利用這個異常把缺少的頁面從磁盤調(diào)入內(nèi)存，把相應(yīng)的物理地址放在表項中，返回程序繼續(xù)執(zhí)行引起異常的指令并且設(shè)置 P = 1。

A 和 D 這兩個標(biāo)志位是實現(xiàn)虛擬存儲的基礎(chǔ)，這兩個標(biāo)志位可以定期檢測指定的頁面是否訪問過并且是否可以讀寫，從而判斷哪些頁面可以移出到磁盤。比如一個頁面從磁盤讀入內(nèi)存后，它的 D 標(biāo)志位為 0 ，那么當(dāng)頁被移除磁盤時，它的 D 位還是 0 的話，就可以判斷這個頁面無需調(diào)入磁盤。D = 1 表示頁面已經(jīng)被修改過，就需要將其寫回到磁盤上。

審核編輯：劉清