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Linux是一種在計(jì)算機(jī)領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用的操作系統(tǒng)，它的穩(wěn)定性和安全性備受贊譽(yù)。在Linux內(nèi)核中，頁表是一項(xiàng)非常重要的技術(shù)，用于支持虛擬內(nèi)存系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)。虛擬內(nèi)存是一種將系統(tǒng)中物理內(nèi)存與磁盤上的虛擬地址空間進(jìn)行映射的技術(shù)，通過這種方式可以使一個(gè)進(jìn)程能夠訪問比實(shí)際物理內(nèi)存更大的內(nèi)存空間，從而方便了進(jìn)程的管理和運(yùn)行，提高了系統(tǒng)的效率。本文將詳細(xì)介紹。
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一、頁表的概念及作用
頁表是一種將虛擬地址映射為物理地址的表格，它由操作系統(tǒng)內(nèi)核管理，用于支持虛擬內(nèi)存的實(shí)現(xiàn)。在Linux中，系統(tǒng)中的進(jìn)程會(huì)訪問虛擬地址空間，進(jìn)程產(chǎn)生的虛擬地址會(huì)被頁表轉(zhuǎn)換為物理地址，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)物理內(nèi)存的訪問。
頁表的作用主要有兩個(gè)方面，一方面是保護(hù)進(jìn)程的虛擬地址空間，另一方面是實(shí)現(xiàn)虛擬內(nèi)存專用技術(shù)。
1.1 保護(hù)進(jìn)程的虛擬地址空間
Linux中的進(jìn)程在運(yùn)行時(shí)不僅會(huì)訪問自己的進(jìn)程空間，也會(huì)訪問系統(tǒng)內(nèi)核中的各種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和功能函數(shù)，這些操作是不被允許的。頁表能夠通過將各種地址空間劃分為不同的區(qū)域，從而實(shí)現(xiàn)保護(hù)不同的進(jìn)程或者系統(tǒng)內(nèi)核數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的訪問權(quán)限。
1.2 實(shí)現(xiàn)虛擬內(nèi)存技術(shù)
虛擬內(nèi)存是一種將物理內(nèi)存和磁盤上的虛擬地址空間進(jìn)行映射的技術(shù)，虛擬內(nèi)存管理器會(huì)將實(shí)際使用的物理內(nèi)存和磁盤上的內(nèi)存空間一起使用，這樣可以避免進(jìn)程直接訪問物理內(nèi)存帶來的風(fēng)險(xiǎn)和消耗。頁表是實(shí)現(xiàn)虛擬內(nèi)存技術(shù)的重要手段之一，頁表能夠保證虛擬地址空間到物理地址空間的轉(zhuǎn)換過程，使得進(jìn)程在運(yùn)行過程中可以像訪問物理內(nèi)存一樣訪問虛擬地址，從而增強(qiáng)了系統(tǒng)的靈活性和擴(kuò)展性。
二、頁表的種類及結(jié)構(gòu)
Linux中的頁表主要包括了三種類型，即全局頁表、用戶頁表以及內(nèi)核頁表。
2.1 全局頁表
全局頁表是由Linux內(nèi)核統(tǒng)一管理的一種頁表，它用于管理系統(tǒng)中全部物理內(nèi)存，并且不適用于特定的進(jìn)程或線程。全局頁表由操作系統(tǒng)內(nèi)核在系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)創(chuàng)建，用來支持物理內(nèi)存頁幀的映射和管理。
2.2 用戶頁表
用戶頁表是為特定的進(jìn)程或線程單獨(dú)創(chuàng)建的一種頁表，用于將該進(jìn)程或線程所需要的虛擬內(nèi)存地址轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的物理地址。用戶頁表根據(jù)進(jìn)程或線程所需要的地址空間進(jìn)行劃分，依據(jù)不同的地址空間創(chuàng)建相應(yīng)的頁表，從而實(shí)現(xiàn)地址空間隔離和保護(hù)。
2.3 內(nèi)核頁表
Linux的內(nèi)核頁表是為內(nèi)核代碼所使用的地址空間而設(shè)計(jì)的，它負(fù)責(zé)將內(nèi)核代碼所需要的虛擬地址映射到物理地址。內(nèi)核頁表通常是全局頁表的一部分，設(shè)計(jì)的目的是保護(hù)內(nèi)核代碼不被非法訪問，從而保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性。
三、頁表的位置
Linux中頁表主要分為內(nèi)核頁表和用戶頁表兩種類型，它們?cè)趦?nèi)存中的位置也略有不同。
3.1 內(nèi)核頁表的位置
內(nèi)核頁表位于內(nèi)核代碼的地址空間中，其內(nèi)存布局是連續(xù)的，不受用戶進(jìn)程內(nèi)存布局影響。在Linux內(nèi)核中，內(nèi)核頁表的起始地址是固定的，通常為0xC0000000，而頁表的大小會(huì)根據(jù)計(jì)算機(jī)的物理內(nèi)存大小而變化。這些頁表將提供對(duì)內(nèi)核代碼、數(shù)據(jù)和堆棧的地址映射，從而保證了內(nèi)核代碼的訪問安全和穩(wěn)定性。
3.2 用戶頁表的位置
在Linux中，用戶頁表是由內(nèi)核為每個(gè)用戶進(jìn)程創(chuàng)建的，它的大小和位置會(huì)隨著進(jìn)程的需求而變化。用戶進(jìn)程的虛擬地址和物理地址之間的映射將會(huì)保存在該進(jìn)程的頁表中。
一般來說，用戶頁表會(huì)被映射到每個(gè)進(jìn)程的內(nèi)存空間中，可以通過進(jìn)程的頁表指針來訪問。在Linux的x86架構(gòu)中，頁表指針位于進(jìn)程控制塊（PCB）的最后一個(gè)字段中，即pgd（page global directory）。
四、頁表的優(yōu)化
為了提高Linux系統(tǒng)的性能和效率，一些優(yōu)化技術(shù)也被應(yīng)用到頁表中。
4.1 頁表預(yù)讀技術(shù)
頁表預(yù)讀技術(shù)是一種通過提前加載需要的頁表項(xiàng)，加速進(jìn)程的虛擬地址到物理地址的轉(zhuǎn)換過程的技術(shù)。Linux實(shí)現(xiàn)了一種局部性優(yōu)化預(yù)讀技術(shù)（locality-optimized prefetching），能夠在進(jìn)程的連續(xù)訪問中預(yù)取下一層的頁表項(xiàng)，從而避免了在訪問過程中一次次尋址帶來的性能損失。
4.2 使用大頁表
為了提高頁表的查找效率，減少頁表項(xiàng)（page table entry, PTE）的數(shù)量，Linux也提供了大頁表的功能，即將一些較小的頁表項(xiàng)合并為一個(gè)大頁表項(xiàng)，這樣可以減少內(nèi)核在查找頁表時(shí)需要的時(shí)間和開銷。根據(jù)大頁表的大小不同，Linux內(nèi)核中提供了4KB、2MB和1GB三種可選的大小。
4.3 透明大頁技術(shù)
Linux還提供了透明大頁技術(shù)（transparent huge page），這是一項(xiàng)將透明大頁和大頁表技術(shù)結(jié)合起來的一項(xiàng)技術(shù)。它能夠自動(dòng)地將那些不同幾頁大小的內(nèi)存分配進(jìn)行合并，將其轉(zhuǎn)變?yōu)榇箜摫砘蛲该鞔箜摰男问?，從而減少頁表項(xiàng)的數(shù)量，提高內(nèi)存管理效率。
五、
頁表是Linux內(nèi)核實(shí)現(xiàn)虛擬內(nèi)存管理的重要技術(shù)之一，它能夠?qū)⑻摂M地址映射為物理地址，并在一定程度上保護(hù)系統(tǒng)進(jìn)程的安全性和數(shù)據(jù)的完整性。Linux中有三種類型的頁表，全局頁表用于管理系統(tǒng)中全部內(nèi)存，用戶頁表用于將進(jìn)程的虛擬地址轉(zhuǎn)換為物理地址，而內(nèi)核頁表則是為內(nèi)核代碼所使用的地址空間而設(shè)計(jì)。此外，Linux內(nèi)核中還有一些優(yōu)化技術(shù)，例如頁表預(yù)讀技術(shù)和大頁表技術(shù)，這些技術(shù)能夠提升系統(tǒng)的性能和運(yùn)行效率。
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linux的頁表為什么沒有實(shí)現(xiàn)自映射
首先有幾點(diǎn)必須遵守的規(guī)則：1.一個(gè)頁表映射的4m虛擬地址肯定是連慶侍手續(xù)的；2.一個(gè)譽(yù)嫌頁表映射到的1024個(gè)4k的物理頁不一定是連續(xù)的；3.實(shí)現(xiàn)談?wù)咦杂成浔仨毷琼撃夸浐晚摫斫Y(jié)構(gòu)一樣。有了以上的規(guī)則，我們要想理解（或者自己實(shí)現(xiàn)一個(gè)）windows的自映射就必須理解實(shí)際上windows的頁表虛擬地址都是 連續(xù)的，映射到0xc到0xc03FFFFF，表現(xiàn)為一個(gè)頁表數(shù)組，一共1024項(xiàng)，每項(xiàng)4096字節(jié)，一共正好4m，頁目錄作為這4m的 頁表。我們反著想，如果頁目錄成為了這4m的頁表，那么肯定映射0xc到0xc03FFFFF的地址，我們將端點(diǎn)的兩個(gè)地址分 解：0000B和1111B，仔細(xì)觀察發(fā)現(xiàn)高10位是相等的，而這高10位正好是頁目錄項(xiàng)的索引，我們知道他是768，好了，頁目錄要作為第768頁目錄項(xiàng)對(duì)應(yīng)的頁表
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網(wǎng)站題目：Linux中頁表的位置及作用(linux頁表位置)
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