目录问题描述CPU接收到的是线性地址，不是物理地址，对页目录进行“自运算”一级查表：构造线性地址的前十位二级查表：构造线性地址的中间十位三级查表：构造线性地址的后十二位，将三个地址段组合起来，对页表进行“自运算”。在x86系统中，内存管理中的分页机制非常重要。在各种与Linux操作系统相关的书籍中，这部分内容也是大笔的一笔。如果你看过Linux内核相关的书籍，你一定对下面这张图很熟悉也很害怕：这就是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：页面的上层目录索引和页面的中层目录索引是Linux系统自己扩展的，在原来的x86处理器中是不存在的，这也是为什么Linux中代码的相关部分比较复杂。在上一篇文章中，我们主要以图文并茂的方式讨论了x86中页目录和页表的“逆向构造”和“正向查找”两个过程。文章链接在这里：从零开始学习Linux15：【页目录与页表】——最全最接地气的理论+实例+图文详解！但是，有一个链接被故意忽略了。即：操作系统在构造页目录和页表时，如何寻址和操作？这部分也是内存管理中比较复杂的部分，就像医生给病人做手术一样，但病人不过是“医生本人”。在本文中，我们继续通过图片+实例来研究内核代码一般是如何进行这些“自操作”的。把这里的运行机制研究透了，再看Linux内核代码就不会头晕了。问题描述在上一篇文章中，我们举了这样一个例子：假设实际物理内存为1GB；硬盘上用户程序文件的长度为20MB；操作系统读取程序后，为所有地址构造页目录和页表；如下图所示：在页目录和页表的每个有效表项中，存储的地址都是每个实际物理页的前20位（因为一个物理页的长度固定为4KB，所以都是对齐的分配时，最后12位全部为0）。而页目录和页表“它们”本身都占据一个物理页的空间，所以它们都有自己的物理地址。当页目录和页表构造正确后，处理器面对一个线性地址，例如：0x4100_1800，页处理单元根据层次查找表将这个线性地址转换为物理地址：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，在页目录中找到索引260，从而确定页表的物理地址为0x0800_4000（表项中的值为0x08004，低12位0必被添加）；线性地址的中间10位，在0x0800_4000的页表中找到索引1，从而确定普通物理页的物理地址为0x0210_1000（表项中的值为0x02101，低12位）必须添加顺序0)；根据线性地址commonpage的最后12位确定normalpage中的偏移量为2048，将这个偏移量加上normalpage的起始地址，得到最终的物理地址0x0210_1800。详细的讨论过程可以参考之前的文章：从零开始学Linux15：【页目录与页表】——最全最接地气的理论+实例+图解详解！。那么，问题来了：当打开页处理单元时，处理器面对的是一个线性地址，那么操作系统在构造页目录中的每一个表项时，是如何寻址这个表项的呢？具体如上图所示，当操作系统要在页目录的第256个表项中填写第一个页表的物理地址0x0800_0000时，那么CPU需要找到这个表项，这个表项的物理地址必须为.但是我们不能直接告诉CPU这个表项的物理地址，因为CPU接收的只是线性地址，它会通过分页单元的处理自动获取对应的物理地址。那么，这个线性地址的值应该是多少呢？继续举例说明，通俗易懂。假设页目录所在物理页的起始地址为0x0100_0000，那么第256个表项的物理地址为0x0100_0400。有的朋友可能会说：直接告诉处理器物理地址0x0100_0400，这不就可以了吗？这是错误的！处理器收到的是线性地址，不是物理地址，因为现在分页处理单元已经开启，而0x0100_0400是我们最后要得到的物理地址，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，但处理器并不知道！当我们给处理器一个地址后，处理器会一步一步的进行[段转换]，然后[页转换]，才得到它认为的物理地址。由于采用了“扁平化”的segment结构，这里忽略segment的处理过程，直接讨论page的处理过程。因此，我们应该用某种方法构造一个线性地址addr，让这个地址通过页处理单元，得到物理地址0x0100_0400：这个有点递归，有点像医生给它做手术他自己！现在，你应该明白你面临的问题了吧？目标是通过一定的方法构造一个线性地址addr，经过页处理单元转换后，得到物理地址0x0100_0400。重新梳理一下对页目录的操作思路：如果对一个普通物理页（以下简称：普通页）中某个地址的数据进行操作，需要经过三个查表操作：从一个表页表中的表项，找到的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：我们需要使用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！作为一个软件开发者，递归的思维是随时可用的。我们构造一个线性地址addr，使其经过3次查表操作后可以指向页目录的物理地址。Level-1查表：构造线性地址的前10位，确定页表的物理地址Level-1查表：查找的对象是页目录。线性地址addr的前10位确定页目录中的索引。显然，在这个索引对应的表项中注册的地址必须指向页目录本身。常见的解决方法是：使用页目录的最后一个表项，让这个表项记录的地址指向页目录本身，如下图：也就是说，提前在页目录的最后一个表项中,填写页目录本身的物理地址，然后只要线性地址addr的前10位的值为1023，就可以得到这个表项。很容易得到addr的前10位应该是：0x3FF（二进制：1111_1111_11）。由于该表项存储的地址是页目录本身的起始地址（0x0100_0000，后12个0自动补上），这就相当于：下面进入二级搜索时，页目录将被视为“页表”来使用。如下图所示：这里红色虚线的“页表”其实就是页目录本身，只是一个影子。二级查表：构造线性地址的中间10位，确定“普通页”的物理地址。虽然一级查表的结果是页目录本身，但是处理器并不关心这个，它会将这张表当作页表来使用。现在，考虑线性地址addr的中间10位，它决定了页表中的索引号。显然，还需要继续让索引号对应的记录地址继续指向页目录本身。然后继续使用这个“页表”（实际上是页目录）的最后一个表项，也就是index=1023的表项，这个表项存储的物理地址即将是“普通页”的物理地址"从最终表查找中获得。由于这个条目预填了0x01000，加上12个尾随0后就是0x0100_0000，仍然指向页目录本身，完美！因此得到中间10位的结果：0x3FF（二进制：11_1111_1111）。如下图所示：最右边红色虚线中的“物理页面”是二次搜索的结果。它本质上还是页目录本身，只是会作为一个普通的物理页来使用。三级查找表：构造线性地址的后12位来确定“普通页”的页偏移现在，线性地址addr的前20位（这是我们的最终目标）已经构造完成，通过page表的前两层查表，成功定位到页目录本身！这是最后一步！我们知道，在线性地址到物理地址的转换过程中，最后12位表示页内的偏移量，直接从地址中取出的线性地址。也就是说：线性地址的最后12位偏移量和物理地址的值是一样的！那么，我们倒推一下：我们要操作的是页目录中的第256个表项，它的物理地址是0x0100_0400，这个物理地址相对于这个页目录起始位地址的偏移量是：0x400(0x0100_0400负0x0100_0000）。因此，线性地址addr中最后12位的值也应该是0x400。三个地址段的组合将以上三步得到的地址聚合在一起：0xFFFF_F400就是最终想要的线性地址！也就是说，只要我们告诉处理器线性地址0xFFFF_F400，它就会通过页处理单元。转换，最终找到页目录物理页中的第256个表项，也就是物理地址0x0100_0400。例如：mov[0xFFFF_4000],xxxx以上是操作系统在操作页目录本身时所采用的策略。具体到各个操作系统，可能会有细微的差别，但原理是相似的。比如本文开头的第一张图，Linux使用4级表来查找，中间的两张表可以省略。中间两张表怎么交叉，linux内核代码中的代码比较复杂，但是策略是一样的。寻址页表既然您了解了操作系统如何处理页目录，那么操作页表就不是什么大问题了。例如下图：目标：把最右边的普通物理页地址0x0200_0000放入页表0x0800_0000的第一项（只需要保存前20位），那么传递什么样的线性地址给处理设备？这个想法是完全一样的。一级查找表按照正常的分页查找流程，从页目录中的一个表项中查找出我们要操作的页表。页目录中的此项位于索引值256处，因此可以构造的线性地址的前10位为：0100_0000_00(0x100)。因此，一级查表得到的页表物理地址为0x0800_0000。二级查找表使用这个页表的最后一个条目（index=1023）预填充一个地址（0x08000），使其指向页表本身的起始物理地址。因此，可构造的线性地址的中间10位为：11_1111_1111(0x3FF)。由于这个表项存储的地址是0x0800_0000，它指向页表本身，但马上就被当作一个普通的物理页使用。这时候三级查找表已经找到了最后一个普通物理页（其实就是页表，作为普通物理页使用）。线性地址的后12位可以直接取你要操作的目标物理地址的后12位。我们的目标是操作页表中的第0个表项。该表项的物理地址为0x0800_0000，最后12位偏移量为0000_0000_0000。正确的线性地址可以通过以上三个地址段的组合得到：这里讨论的方法并不是处理页目录和页表的唯一方法。当处理逻辑比较复杂时，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。如果你想挑战自己，可以看看Linux内核中的相关文档或代码！本系列介绍页目录和页表的知识点。文中如有错误或误导的地方，期待与大家共同探讨学习！写这篇文章不容易，深刻体会到那句话：写作是：在网络中思考——通过树状结构——用线性语言清晰表达。本文转载自微信公众号《IOT物联网小镇》【编辑推荐】鸿蒙官方战略合作共建-HarmonyOS技术社区Windows10系统，如何关闭输入法？Windows10关闭输入法操作步骤Windows11不好用？升级Windows11必须注意的细节Windows11正式版两周体验：内存占用高，莫名卡顿为什么国产手机那么火爆，苹果却依然卖不出去？工信部：基本解决App打开弹窗无法关闭问题
