linux页表创建与更新

 简单来说，讨论linux页表就是讨论linux进程的的页表：linux页表的创建与更新都包含于进程的创建与更新中。当前的linux内核采用的是写时复制方法，在创建一个linux进程时，完全复制父进程的页表，并且将父子进程的页表均置为写保护（即写地址的时候会产生缺页异常等）。那么父子进程谁向地址空间写数据时，产生缺页异常，分配新的页，并将两个页均置为可写，按照这种方式父子进程的地址空间渐渐变得不同。
    按照上面的分析, 只需要讨论第一个进程页表初始化，进程创建时页表的拷贝，以及缺页异常时页表的更新即可。
1.init_task进程页表的初始化
    init_task的地址空间是init_mm, init_mm在内核初始化的时候就赋值给了current->active_mm. init_mm的初始化页表是swapper_pg_dir，在mips架构中swapper_pg_dir初始化在函数pagetable_init中，初始化关系是
swapper_pg_dir -> invalide_pmd_table -> invalide_pte_table 或
swapper_pg_dir -> invalide_pte_table.
即在init_mm中，页表指向的全部是invalide_pte_table。


2.创建进程时页表的拷贝
    进程创建一般调用的是do_fork函数，按照如下调用关系：
    do_fork->copy_process->copy_mm->dup_mm->dup_mmap->copy_page_range
    找到copy_page_range函数，这个函数便是负责页表的拷贝，函数核心代码如下：
 874     do {
 875         next = pgd_addr_end(addr, end);
 876         if (pgd_none_or_clear_bad(src_pgd))
 877             continue;
 878         if (unlikely(copy_pud_range(dst_mm, src_mm, dst_pgd, src_pgd,
 879                         vma, addr, next))) {
 880             ret = -ENOMEM;
 881             break;
 882         }
 883     } while (dst_pgd++, src_pgd++, addr = next, addr != end);
     copy_pud_range便是拷贝pud表，copy_pud_range调用copy_pmd_range, copy_pmd_range调用copy_pte_range，以此完成对三级页表的复制。需要注意的是在copy_pte_range调用的copy_one_pte中有如下代码：
 694     if (is_cow_mapping(vm_flags)) {
 695         ptep_set_wrprotect(src_mm, addr, src_pte);
 696         pte = pte_wrprotect(pte);
 697     }
这里便是判断如果采用的是写时复制，便将父子页均置为写保护，即会产生如下所示的缺页异常。


3.缺页异常时页表的更新
  由页表的初始化可以看到，init_mm的页表全指向无效页表，然而普通的进程中不可能页表均指向无效项，因此肯定拥有一个不断扩充页表的机制，这个机制是通过缺页异常实现的。
  以mips为例，mips的缺页异常最终会调用do_page_fault，do_page_fault调用handle_mm_fault，handle_mm_fault是公共代码，一般所有的缺页异常均会调用handle_mm_fault的核心代码如下：
3217     pud = pud_alloc(mm, pgd, address);
3218     if (!pud)
3219         return VM_FAULT_OOM;
3220     pmd = pmd_alloc(mm, pud, address);
3221     if (!pmd)
3222         return VM_FAULT_OOM;
3223     pte = pte_alloc_map(mm, pmd, address);
3224     if (!pte)
3225         return VM_FAULT_OOM;
其中pud_alloc代码如下：
1056 static inline pud_t *pud_alloc(struct mm_struct *mm, pgd_t *pgd, unsigned long address)
1057 {   
1058     return (unlikely(pgd_none(*pgd)) && __pud_alloc(mm, pgd, address))?
1059         NULL: pud_offset(pgd, address);
1060 }   
其中pgd_none用于判断pgd是否为invalide,如果是可调用__pud_alloc,如果不是获得其地址继续查。
pmd_alloc函数和pte_alloc_map函数类似。


因此可以看出，在缺页异常中，会按照地址一次查三张页表，如果页表为invalide，比如invalide_pmd_table或invalide_pte_table，则会分配一个新的页表项取代invalide的页表项。这便是页表扩充的机制。


需要注意的是handle_mm_fault最终会调用handle_pte_fault，在handle_pte_fault函数中有如下代码：
3171     if (flags & FAULT_FLAG_WRITE) {
3172         if (!pte_write(entry))
3173             return do_wp_page(mm, vma, address,
3174                     pte, pmd, ptl, entry);
3175         entry = pte_mkdirty(entry);
3176     }
即在缺页异常中如果遇到写保护会调用do_wp_page，这里面会处理上面所说的写时复制中父子进程区分的问题。


如上三个部分便是linux页表的大体处理框架

三级页表结构示意图[zz]


图3.3 Linux的三级页表结构

Linux总是假定处理器有三级页表。每个页表通过所包含的下级页表的页面框号来访问。图3.3给出了虚拟地址是如何分割成多个域的，每个域提供了 某个指定页表的偏移。为了将虚拟地址转换成物理地址，处理器必须得到每个域的值。这个过程将持续三次直到对应于虚拟地址的物理页面框号被找到。最后再使用 虚拟地址中的最后一个域，得到了页面中数据的地址。

为了实现跨平台运行，Linux提供了一系列转换宏使得核心可以访问特定进程的页表。这样核心无需知道 页表入口的结构以及它们的排列方式。

这种策略相当成功，无论在具有三级页表结构的Alpha AXP还是两级页表的Intel X86处理器中，Linux总是使 用相同的页表操纵代码。