进程地址空间[4]

   虽然应用程序操作的对象是映射到物理内存之上的虚拟内存，但是处理器直接操作的却是物理内存。所以当用程序访问一个虚拟地址时，首先必须将虚拟地址转化成 物理地址，然后处理器才能解析地址访问请求。地址的转化工作需要通过查询也不才能完成，概括地讲，地址转换需要将虚拟地址分段，使每段虚拟地址都作为一个 索引指向页表，而页表则指向下一级别的页表或者指向最终的物理页面。
  linux中使用三级页表完成地址转换。利用多级页表能够节约地址转换需要占用的存放空间。如果利用三级页表转换地址，即使是64位机占用的空间也有限。Linux对所有体系结构，包括那些不支持三级页表的体系结构都使用三级页表管理，因为使用三级页表结构可以利用“最大公约数”的思想。
  顶级页表是页全局目录（PGD）。PGD包含了一个pgd_t类型数组，多数体系结构中pgd_t类型等同于无符号长整型类型。PGD中的页表项指向二级页目录中的表项：PMD。
  二级页表是中间页目录（PMD）。PMD是个pmd_t类型数组，其中的表项指向PTE中的表项。
  最后一级的页表称为页表，其中包含pte_t类型的页表项，该表项指向物理页面。
  页表对应的结构体依赖于具体的体系结构，所以定义在asm/page.h中。

1. 
   
2. 在文件include/asm-i386/page.h中
3. #ifdef CONFIG_X86_PAE
4. extern unsigned long long __supported_pte_mask;
5. typedef struct { unsigned long pte_low, pte_high; } pte_t;
6. typedef struct { unsigned long long pmd; } pmd_t;
7. typedef struct { unsigned long long pgd; } pgd_t;
8. typedef struct { unsigned long long pgprot; } pgprot_t;
9. #define pmd_val(x)  ((x).pmd)
10. #define pte_val(x)  ((x).pte_low | ((unsigned long long)(x).pte_high << 32))
11. #define __pmd(x) ((pmd_t) { (x) } )
12. #define HPAGE_SHIFT 21
13. #include <asm-generic/pgtable-nopud.h>
14. #else
15. typedef struct { unsigned long pte_low; } pte_t;
16. typedef struct { unsigned long pgd; } pgd_t;
17. typedef struct { unsigned long pgprot; } pgprot_t;
18. #define boot_pte_t pte_t /* or would you rather have a typedef */
19. #define pte_val(x)  ((x).pte_low)
20. #define HPAGE_SHIFT 22
21. #include <asm-generic/pgtable-nopmd.h>
22. #endif

  多数体系结构中，搜索页表的工作由硬件完成。虽然通常操作中，很多使用页表的工作都可以由硬件执行，但是只有在内核正确设置页表的前提下，硬件才能方便操作它们。

   Linux总是假定处理器有三级页表。每个页表通过所包含的下级页表的页面框号来访问。下图给出了虚拟地址是如何分割成多个域的，每个域提供了 某个指定页表的偏移。为了将虚拟地址转换成物理地址，处理器必须得到每个域的值。这个过程将持续三次直到对应于虚拟地址的物理页面框号被找到。最后再使用 虚拟地址中的最后一个域，得到了页面中数据的地址。

   为了实现跨平台运行，Linux提供了一系列转换宏使得核心可以访问特定进程的页表。这样核心无需知道 页表入口的结构以及它们的排列方式。

   这种策略相当成功，无论在具有三级页表结构的Alpha AXP还是两级页表的Intel X86处理器中，Linux总是使 用相同的页表操纵代码。

Linux的三级页表结构

  每个进程都有自己的页表（线程会共享页表）。内存描述符的pgd域指向的就是进程的页全局目录。操作和检索页表时必须使用page_table_lock锁，该锁在相应的进程的内存描述符中，以防止竞争条件。 
  由于几乎每次对虚拟内存中的页面访问都必须先解析它，然后得到物理内存中对应的地址，所以页表的操作性能很关键。为了加快搜索，多数体系结构实现了 TLB(translation lookside buffer)。TLB作为一个将虚拟地址映射到物理地址的硬件缓存，当请求访问一个虚拟地址时，处理器将首先检查TLB中十分缓存了该虚拟地址到物理地 址的映射，如果在缓冲中直接命中，物理地址立刻返回；未命中，就需要再通过页表搜索需要的物理地址。
  2.6内核对页表管理的主要改进是：从高端内存分配部分页表。今后可能的改进包括通过在写时拷贝(copy-on-write) 的方式共享页表。这种机制似的在fork()操作中可由父子进程共享页表。因为只有当子进程或父进程试图修改特定页表项时，内核才去创建该页表项的新拷 贝，此后父子进程才不再共享该页表项。利用共享页表可以消除fork()操作中页表拷贝所带来的消耗。