Linux中內核頁表和進程頁表有什么關系

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初學內核時，經常被“內核頁表”和“進程頁表”搞暈，不知道這到底是個啥東東，跟我們平時理解的頁表有什么關系。

內核頁表：即書上說的主內核頁表，在內核中其實就是一段內存，存放在主內核頁全局目錄init_mm.pgd(swapper_pg_dir)中，硬件并不直接使用。

進程頁表：每個進程自己的頁表，放在進程自身的頁目錄task_struct.pgd中。

在保護模式下，從硬件角度看，其運行的基本對象為“進程”(或線程)，而尋址則依賴于“進程頁表”，在進程調度而進行上下文切換時，會進行頁表的切換：即將新進程的pgd(頁目錄)加載到CR3寄存器中。從這個角度看，其實是完全沒有用到“內核頁表”的，那么“內核頁表”有什么用呢？跟“進程頁表”有什么關系呢？

1、內核頁表中的內容為所有進程共享，每個進程都有自己的“進程頁表”，“進程頁表”中映射的線性地址包括兩部分：

用戶態

內核態

其中，內核態地址對應的相關頁表項，對于所有進程來說都是相同的(因為內核空間對所有進程來說都是共享的)，而這部分頁表內容其實就來源于“內核頁表”，即每個進程的“進程頁表”中內核態地址相關的頁表項都是“內核頁表”的一個拷貝。

2、“內核頁表”由內核自己維護并更新，在vmalloc區發生page fault時，將“內核頁表”同步到“進程頁表”中。以32位系統為例，內核頁表主要包含兩部分：

線性映射區

vmalloc區

其中，線性映射區即通過TASK_SIZE偏移進行映射的區域，對32系統來說就是0-896M這部分區域，映射對應的虛擬地址區域為TASK_SIZE-TASK_SIZE+896M。這部分區域在內核初始化時就已經完成映射，并創建好相應的頁表，即這部分虛擬內存區域不會發生page fault。

vmalloc區，為896M-896M+128M，這部分區域用于映射高端內存，有三種映射方式：vmalloc、固定、臨時，這里就不像述了。

以vmalloc為例(最常使用)，這部分區域對應的線性地址在內核使用vmalloc分配內存時，其實就已經分配了相應的物理內存，并做了相應的映射，建立了相應的頁表項，但相關頁表項僅寫入了“內核頁表”，并沒有實時更新到“進程頁表中”，內核在這里使用了“延遲更新”的策略，將“進程頁表”真正更新推遲到第一次訪問相關線性地址，發生page fault時，此時在page fault的處理流程中進行“進程頁表”的更新：

/*

     * 缺頁地址位于內核空間。并不代表異常發生于內核空間，有可能是用戶

     * 態訪問了內核空間的地址。

     */

    if (unlikely(fault_in_kernel_space(address))) {

        if (!(error_code & (PF_RSVD | PF_USER | PF_PROT))) {

            //檢查發生缺頁的地址是否在vmalloc區，是則進行相應的處理

            if (vmalloc_fault(address) >= 0)

                return;

/*

  * 對于發生缺頁異常的指針位于vmalloc區情況的處理，主要是將

  * 主內核頁表向當前進程的內核頁表同步。

  */

static noinline __kprobes int vmalloc_fault(unsigned long address)

{

    unsigned long pgd_paddr;

    pmd_t *pmd_k;

    pte_t *pte_k;

 

    /* Make sure we are in vmalloc area: */

    /* 區域檢查 */

    if (!(address >= VMALLOC_START && address < VMALLOC_END))

        return -1;

 

    WARN_ON_ONCE(in_nmi());

 

    /*

     * Synchronize this task's top level page-table

     * with the 'reference' page table.

     *

     * Do _not_ use "current" here. We might be inside

     * an interrupt in the middle of a task switch..

     */

     /*獲取pgd(最頂級頁目錄)地址，直接從CR3寄存器中讀取。

     *不要通過current獲取，因為缺頁異常可能在上下文切換的過程中發生，

     *此時如果通過current獲取，則可能會出問題*/

    pgd_paddr = read_cr3();

    //從主內核頁表中，同步vmalloc區發生缺頁異常地址對應的頁表

    pmd_k = vmalloc_sync_one(__va(pgd_paddr), address);

    if (!pmd_k)

        return -1;

    //如果同步后，相應的PTE還不存在，則說明該地址有問題了

    pte_k = pte_offset_kernel(pmd_k, address);

    if (!pte_present(*pte_k))

        return -1;

 

    return 0;

}

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