内核页表和进程页表

刺骨的言语ヽ痛彻心扉 2022-06-17 08:10 177阅读 0赞

初学内核时，经常被“内核页表”和“进程页表”搞晕，不知道这到底是个啥东东，跟我们平时理解的页表有和关系。。  
内核页表：即书上说的主内核页表，在内核中其实就是一段内存，存放在主内核页全局目录init\_mm.pgd(swapper\_pg\_dir)中，硬件并不直接使用。  
进程页表：每个进程自己的页表，放在进程自身的页目录task\_struct.pgd中。  
在保护模式下，从硬件角度看，其运行的基本对象为“进程”(或线程)，而寻址则依赖于“进程页表”，在进程调度而进行上下文切换时，会进行页表的切换：即将新进程的pgd(页目录)加载到CR3寄存器中。从这个角度看，其实是完全没有用到“内核页表”的，那么“内核页表”有什么用呢？跟“进程页表”有什么关系呢？  
1、内核页表中的内容为所有进程共享，每个进程都有自己的“进程页表”，“进程页表”中映射的线性地址包括两部分：  
用户态  
内核态  
其中，内核态地址对应的相关页表项，对于所有进程来说都是相同的(因为内核空间对所有进程来说都是共享的)，而这部分页表内容其实就来源于“内核页表”，即每个进程的“进程页表”中内核态地址相关的页表项都是“内核页表”的一个拷贝。  
2、“内核页表”由内核自己维护并更新，在vmalloc区发生page fault时，将“内核页表”同步到“进程页表”中。以32位系统为例，内核页表主要包含两部分：  
线性映射区  
vmalloc区  
其中，线性映射区即通过TASK\_SIZE偏移进行映射的区域，对32系统来说就是0-896M这部分区域，映射对应的虚拟地址区域为TASK\_SIZE-TASK\_SIZE+896M。这部分区域在内核初始化时就已经完成映射，并创建好相应的页表，即这部分虚拟内存区域不会发生page fault。  
vmalloc区，为896M-896M+128M，这部分区域用于映射高端内存，有三种映射方式：vmalloc、固定、临时，这里就不像述了。。  
以vmalloc为例(最常使用)，这部分区域对应的线性地址在内核使用vmalloc分配内存时，其实就已经分配了相应的物理内存，并做了相应的映射，建立了相应的页表项，但相关页表项仅写入了“内核页表”，并没有实时更新到“进程页表中”，内核在这里使用了“延迟更新”的策略，将“进程页表”真正更新推迟到第一次访问相关线性地址，发生page fault时，此时在page fault的处理流程中进行“进程页表”的更新：

/*
         * 缺页地址位于内核空间。并不代表异常发生于内核空间，有可能是用户
         * 态访问了内核空间的地址。
         */
        if (unlikely(fault_in_kernel_space(address))) {
            if (!(error_code & (PF_RSVD | PF_USER | PF_PROT))) {
                //检查发生缺页的地址是否在vmalloc区，是则进行相应的处理
                if (vmalloc_fault(address) >= 0)
                    return;

/*
      * 对于发生缺页异常的指针位于vmalloc区情况的处理，主要是将
      * 主内核页表向当前进程的内核页表同步。
      */
    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: */
        /* 区域检查 */
        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..
         */
         /*获取pgd(最顶级页目录)地址，直接从CR3寄存器中读取。
         *不要通过current获取，因为缺页异常可能在上下文切换的过程中发生，
         *此时如果通过current获取，则可能会出问题*/
        pgd_paddr = read_cr3();
        //从主内核页表中，同步vmalloc区发生缺页异常地址对应的页表
        pmd_k = vmalloc_sync_one(__va(pgd_paddr), address);
        if (!pmd_k)
            return -1;
        //如果同步后，相应的PTE还不存在，则说明该地址有问题了
        pte_k = pte_offset_kernel(pmd_k, address);
        if (!pte_present(*pte_k))
            return -1;
    
        return 0;
    }