内核必须懂(七): Linux四级页表(x64)

绝地灬酷狼 2022-02-14 14:19 792阅读 0赞

## 目录 ##

>  *  前言
>  *  Intel四级页表
>  *  实操寻址
> 
> >  *  获取cr3
> >  *  获取PGD
> >  *  获取PUD
> >  *  获取PMD
> >  *  获取PTE
> >  *  获取内容
> 
>  *  最后

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## 前言 ##

> Linux四级页表的作用主要就是地址映射, 将逻辑地址映射到物理地址. 很多时候, 有些地方想不明白就可以查看实际物理地址进行分析.

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## Intel 四级页表 ##

> 其实很多设计的根源或者说原因都来自于CPU的设计, OS很多时候都是辅助CPU. Linux的四级页表就是依据CPU的四级页表来设计的. 这里主要说的就是Intel x64页面大小为4KB的情况, 如图所示:

![1240][]

> 当然, 你可以用指令确认下:

getconf PAGE_SIZE

![1240 1][]

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## 实操寻址 ##

> 首先这里先贴出几个工具, fileview, dram, registers. 这些都是可以帮助快速获取地址的, 上一篇文章说的kgdb工具也是可以的, 就是麻烦一点, 你懂的. 具体内容就不贴了, 这里仅展示用户态的代码:

#include <stdio.h>
    #include <fcntl.h>
    #include <unistd.h>
    #include <stdlib.h>
    #include <sys/stat.h>
    #include <sys/types.h>
    
    #define BUFSIZE 4096
    
    int main()
    {
        int            fd, ret;
        char            buf[BUFSIZE];
        unsigned long int    a = 0x1234567890abcdef;
        printf( "a=0x%016lX addr: %p \n", a, &a );
    
        if ( (fd = open( "/proc/registers", O_RDONLY ) ) < 0 )
        {
            fprintf( stderr, "Open /proc/registers file failed! \n" );
            exit( EXIT_FAILURE );
        }
    
        lseek( fd, 0L, SEEK_SET );
    
        if ( (ret = read( fd, buf, sizeof buf - 1 ) ) < 0 )
        {
            perror( "/proc/registers" );
            exit( EXIT_FAILURE );
        }
    
        buf[ret] = 0;
        close( fd );
        puts( buf );
    
        while ( 1 );
        return(0);
    }

> 使用make指令编译工具, 插入dram.ko和registers.ko驱动模块. 编译运行用户态程序, 如图所示:

![1240 2][]

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### 获取cr3 ###

> 这之中最关键的是cr3地址以及局部变量地址, 这里看到, 变量地址是0x7ffdcbffaba8, 变量值是0x1234567890ABCDEF. cr3寄存器中地址是0x40c78000. 当然了, 按照CPU的图示, cr3肯定是指向PML4E. 在Linux当中, 第一级页表称为PGD, 当然是有历史原因的, 可以自行google. 所以Linux的四级页表分别是PGD -> PUD -> PMD -> PTE.

![1240 3][]

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### 获取PGD ###

> 想要获取PGD中的内容需要通过计算. 这里先来处理一下局部变量地址. 首先写成二进制.

0x7ffdcbffaba8
    0111 1111 1111 1101 1100 1011 1111 1111 1010 1011 1010 1000

> 然后按照Intel的设计, 重新整合.

011111111 111110111 001011111 111111010 101110101000

> 重新写成16进制:

ff 1f7 5f 1fa ba8

> 这就是只要用的offset. 因为每个单元是64-bits因此需要在序号基础上乘以8获得地址. 所以PGD地址为:

0x40c78000(cr3) + ff * 8 = 0x40c787f8

> 然后使用启动之前编译的小工具:

./fileview /dev/dram

> 输入之前计算出来的地址0x40c787f8, 就可以得到之中的内容, 也就是PUD, 从CPU图来说就是PDPTE:

![1240 4][]

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### 获取PUD ###

> 这里获取到的是**67 50 75 76 00 00 00 80**, 但是注意, Intel是和显示顺序反过来的. 也就是**76755067**, 然后后面的12-bits是页面属性. 所以, 具体地址就是:

76755000 + 1f7 * 8 = 76755fb8

> 同样输入地址到工具, 得到**67 80 E8 2C 00 00 00 00**.

![1240 5][]

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### 获取PMD ###

> 直接计算了:

2ce88000 + 5f * 8 = 2ce882f8

![1240 6][]

> 得到**67 00 DD 48 00 00 00 00**.

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### 获取PTE ###

> 直接计算了:

48dd0000 + 1fa * 8 = 48dd0fd0

![1240 7][]

> 得到**67 58 59 20 00 00 00 80**.

### 获取内容 ###

> 最后就可以获取到内容了:

20595000 + ba8 = 20595ba8

![1240 8][]

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## 最后 ##

> 当然了, 这次是在用户态下进行从线性地址到物理地址转换的, 如果是内核态有些地方会发生变化. 暂时写到这里, 内核态等后续的更新了. 喜欢记得点赞, 有意见或者建议评论区见~

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[1240 7]: /images/20220214/85db93282a98421fa8e27f5bb5029931.png
[1240 8]: /images/20220214/4adfc85aef014100836e1e4e362c640b.png