探索 Linux 内存模型--转

在 Linux 中，所有的段寄存器都指向相同的段地址范围 —— 换言之，每个段寄存器都使用相同的线性地址。这使 Linux 所用的段描述符数量受限，从而可将所有描述符都保存在 GDT 之中。这种模型有两个优点：

当所有的进程都使用相同的段寄存器值时（当它们共享相同的线性地址空间时），内存管理更为简单。
• 在大部分架构上都可以实现可移植性。某些 RISC 处理器也可通过这种受限的方式支持分段。

图 4 展示了对模型的修改。

Linux 使用以下段描述符：

内核代码段
• 内核数据段
• 用户代码段
• 用户数据段
• TSS 段
• 默认 LDT 段

下面详细介绍这些段寄存器。

GDT 中的内核代码段 (kernel code segment)?描述符中的值如下：

Base = 0x00000000
• Limit = 0xffffffff (2^32 -1) = 4GB
• G（粒度标志）= 1，表示段的大小是以页为单位表示的
• S = 1，表示普通代码或数据段
• Type = 0xa，表示可以读取或执行的代码段
• DPL 值 = 0，表示内核模式

与这个段相关的线性地址是 4 GB，S = 1 和 type = 0xa 表示代码段。选择器在?cs?寄存器中。Linux 中用来访问这个段选择器的宏是_KERNEL_CS。

内核数据段 (kernel data segment)?描述符的值与内核代码段的值类似，惟一不同的就是 Type 字段值为 2。这表示此段为数据段，选择器存储在ds?寄存器中。Linux 中用来访问这个段选择器的宏是?_KERNEL_DS。

用户代码段 (user code segment)?由处于用户模式中的所有进程共享。存储在 GDT 中的对应段描述符的值如下：

Base = 0x00000000
• Limit = 0xffffffff
• G = 1
• S = 1
• Type = 0xa，表示可以读取和执行的代码段
• DPL = 3，表示用户模式

在 Linux 中，我们可以通过?_USER_CS?宏来访问此段选择器。

在?用户数据段 (user data segment)?描述符中，惟一不同的字段就是 Type，它被设置为 2，表示将此数据段定义为可读取和写入。Linux 中用来访问此段选择器的宏是?_USER_DS。

除了这些段描述符之外，GDT 还包含了另外两个用于每个创建的进程的段描述符 —— TSS 和 LDT 段。

每个?TSS 段 (TSS segment)?描述符都代表一个不同的进程。TSS 中保存了每个 CPU 的硬件上下文信息，它有助于有效地切换上下文。例如，在?U->K?模式的切换中，x86 CPU 就是从 TSS 中获取内核模式堆栈的地址。

每个进程都有自己在 GDT 中存储的对应进程的 TSS 描述符。这些描述符的值如下：

Base = &tss （对应进程描述符的 TSS 字段的地址；例如?&tss_struct）这是在 Linux 内核的 schedule.h 文件中定义的
• Limit = 0xeb （TSS 段的大小是 236 字节）
• Type = 9 或 11
• DPL = 0。用户模式不能访问 TSS。G 标志被清除

所有进程共享默认 LDT 段。默认情况下，其中会包含一个空的段描述符。这个默认 LDT 段描述符存储在 GDT 中。Linux 所生成的 LDT 的大小是 24 个字节。默认有 3 个条目：

要计算 GDT 中最多可以存储多少条目，必须先理解?NR_TASKS（这个变量决定了 Linux 可支持的并发进程数 —— 内核源代码中的默认值是 512，最多允许有 256 个到同一实例的并发连接）。

GDT 中可存储的条目总数可通过以下公式确定：

在这 8192 个段描述符中，Linux 要使用 6 个段描述符，另外还有 4 个描述符将用于 APM 特性（高级电源管理特性），在 GDT 中还有 4 个条目保留未用。因此，GDT 中的条目数等于 8192 - 14，也就是 8180。

任何情况下，GDT 中的条目数 8180，因此：

2 *?NR_TASKS?= 8180?NR_TASKS?= 8180/2 = 4090

（为什么使用?2 *?NR_TASKS？因为对于所创建的每个进程，都不仅要加载一个 TSS 描述符 —— 用来维护上下文切换的内容，另外还要加载一个 LDT 描述符。）

这种 x86 架构中进程数量的限制是 Linux 2.2 中的一个组件，但自 2.4 版的内核开始，这个问题已经不存在了，部分原因是使用了硬件上下文切换（这不可避免地要使用 TSS），并将其替换为进程切换。

接下来，让我们了解一下分页模型。

分页单元负责将线性地址转换成物理地址（请参见图 1）。线性地址会被分组成页的形式。这些线性地址实际上都是连续的 —— 分页单元将这些连续的内存映射成对应的连续物理地址范围（称为?页框）。注意，分页单元会直观地将 RAM 划分成固定大小的页框。

正因如此，分页具有以下优点：

为一个页定义的访问权限中保存了构成该页的整组线性地址的权限
• 页的大小等于页框的大小

（编辑：淮北站长网）

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