linux内存管理之分页机制

linux（X86）将进程的地址空间分成一段一段的，利用这些段来存储数据或者代码。x86 硬件包括几个可编程的寄存器，称为 段寄存器 (segment register)，段选择器保存于其中。这些寄存器为 cs（代码段）、ds（数据段）和 ss（堆栈段）。这些寄存器中都存储了段选择符。每个段选择符都是16位。每个段选择符包括：

1、一个 13 位的索引，用来标识 GDT 或 LDT 中包含的对应段描述符条目。

2、TI (Table Indicator) 标志指定段描述符是在 GDT 中还是在 LDT 中，如果该值是 0，段描述符就在 GDT 中；如果该值是 1，段描述符就在 LDT 中。

3、RPL (request privilege level) 定义了在将对应的段选择器加载到段寄存器中时 CPU 的当前特权级别。

这些段描述符可以存储在一个 GDT（全局描述符表，global descriptor table）中，也可以存储在一个 LDT（本地描述符表，local descriptor table）中。

在GDT/LDT中，每个表项就是一个段描述符，每个表项是8个字节，其中12位用来表示段的属性。

下面我们分析一下分段机制在linux中的实现：

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

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：

LDT[0] = 空

LDT[1] = 用户代码段

LDT[2] = 用户数据/堆栈段描述符