linux内核探索之内存管理（四）：对页表和页表项的操作

接上一节，主要参考《深入Linux内核架构》（3.3节），即linux-3.18.3

1. 对PTE的操作

    最后一级页表中的项不仅包含了指向页的内存位置的指针，还在上述的多于比特位包含了与页有关的附加信息。尽管这些数据是特定于CPU的，它们至少提供了有关页访问控制的一些信息。下列位在linux内核支持的大多数CPU中都可以找到。

    

arch/x86/include/asm/pgtable_types.h 

#define _PAGE_BIT_PRESENT       0       /* is present */
#define _PAGE_BIT_RW            1       /* writeable */
#define _PAGE_BIT_USER          2       /* userspace addressable */
#define _PAGE_BIT_PWT           3       /* page write through */
#define _PAGE_BIT_PCD           4       /* page cache disabled */
#define _PAGE_BIT_ACCESSED      5       /* was accessed (raised by CPU) */
#define _PAGE_BIT_DIRTY         6       /* was written to (raised by CPU) */
#define _PAGE_BIT_PSE           7       /* 4 MB (or 2MB) page */
#define _PAGE_BIT_PAT           7       /* on 4KB pages */
#define _PAGE_BIT_GLOBAL        8       /* Global TLB entry PPro+ */
#define _PAGE_BIT_SOFTW1        9       /* available for programmer */
#define _PAGE_BIT_SOFTW2        10      /* " */
#define _PAGE_BIT_SOFTW3        11      /* " */
#define _PAGE_BIT_PAT_LARGE     12      /* On 2MB or 1GB pages */
#define _PAGE_BIT_SPECIAL       _PAGE_BIT_SOFTW1
#define _PAGE_BIT_CPA_TEST      _PAGE_BIT_SOFTW1
#define _PAGE_BIT_SPLITTING     _PAGE_BIT_SOFTW2 /* only valid on a PSE pmd */
#define _PAGE_BIT_HIDDEN        _PAGE_BIT_SOFTW3 /* hidden by kmemcheck */
#define _PAGE_BIT_SOFT_DIRTY    _PAGE_BIT_SOFTW3 /* software dirty tracking */
#define _PAGE_BIT_NX           63       /* No execute: only valid after cpuid check */
#define _PAGE_BIT_NUMA          (_PAGE_BIT_GLOBAL+1)
#define _PAGE_BIT_PROTNONE      _PAGE_BIT_GLOBAL
#define _PAGE_BIT_FILE          _PAGE_BIT_DIRTY

#define _PAGE_PRESENT   (_AT(pteval_t, 1) << _PAGE_BIT_PRESENT)
#define _PAGE_RW        (_AT(pteval_t, 1) << _PAGE_BIT_RW)
#define _PAGE_USER      (_AT(pteval_t, 1) << _PAGE_BIT_USER)
#define _PAGE_PWT       (_AT(pteval_t, 1) << _PAGE_BIT_PWT)
#define _PAGE_PCD       (_AT(pteval_t, 1) << _PAGE_BIT_PCD)
#define _PAGE_ACCESSED  (_AT(pteval_t, 1) << _PAGE_BIT_ACCESSED)
#define _PAGE_DIRTY     (_AT(pteval_t, 1) << _PAGE_BIT_DIRTY)
#define _PAGE_PSE       (_AT(pteval_t, 1) << _PAGE_BIT_PSE)
#define _PAGE_GLOBAL    (_AT(pteval_t, 1) << _PAGE_BIT_GLOBAL)
#define _PAGE_SOFTW1    (_AT(pteval_t, 1) << _PAGE_BIT_SOFTW1)
#define _PAGE_SOFTW2    (_AT(pteval_t, 1) << _PAGE_BIT_SOFTW2)
#define _PAGE_PAT       (_AT(pteval_t, 1) << _PAGE_BIT_PAT)
#define _PAGE_PAT_LARGE (_AT(pteval_t, 1) << _PAGE_BIT_PAT_LARGE)
#define _PAGE_SPECIAL   (_AT(pteval_t, 1) << _PAGE_BIT_SPECIAL)
#define _PAGE_CPA_TEST  (_AT(pteval_t, 1) << _PAGE_BIT_CPA_TEST)
#define _PAGE_SPLITTING (_AT(pteval_t, 1) << _PAGE_BIT_SPLITTING)

_PAGE_PRESENT：指定了虚拟内存页是否存在于内存中。页可能换出到交换区。

_PAGE_ACCESSED：CPU每次访问页时，会自动设置_PAGE_ACCESSED。内核会定期检查该比特位，以确认页使用的活跃程度。不经常使用的页更适合换出。在读写访问之后设置该比特位。

_PAGE_DIRTY表示该页是否是“脏的”，即页的内容是否已经修改过。

_PAGE_FILE的数值与_PAGE_DIRTY相同，但用于不同的上下文，即页不在内存中的时候。不存在的页不可能是脏的，因此可以重新解释该比特位。如果没有设置，则该项指向一个换出页的位置。如果该项属于非线性文件映射，则需要设置_PAGE_FILE。

_PAGE_USER：是否允许用户空间代码访问。不设置只能在内核态访问。

_PAGE_READ、_PAGE_WRITE和_PAGE_EXECUTE指定了普通的用户进程是否允许读取、写入、执行该页中的及其代码。

内核内存中的页必须防止用户进程写入。但即使属于用户进程的页，页无法保证可以写入。对于访问权限粒度没有那么细的体系结构而言，如果没有进一步的准则可区分读写访问权限，则会定义_PAGE_RW常数，用于同事允许或禁止读写访问。

每种体系结构都必须提供使得内存管理子系统能够修改pte_t项中的额外的比特位，即保存额为的比特位的__pgprot数据类型，以及修改这些比特位的pte_modify函数。内核还定义了各种函数，用于查询和设置内存页与体系结构相关的状态。如下是常用的设置内存页的函数。

 

函数	描述
pte_present	页是否在内存中
pte_read	从用户空间是否可读
pte_write	是否可以写入到该页
Pte_exec	该页中的数据是否可以作为二进制执行
Pte_dirty	页是否是脏的，其内容是否修改过
Pte_file	该页表项属于非线性映射吗
Pte_young	访问位设置好了没有（_PAGE_ACCESSED）
Pte_rdprotect	清除该页的读权限
Pte_wrprotect	清除该页的写权限
Pte_exprotect	清除执行该页中二进制数据的权限
Pte_mkread	设置读权限
Pte_mkwrite	设置写权限
Pte_mkexec	允许执行页的内容
Pte_mkdirty	将页标记为脏
Pte_mkclean	“清除”页，通常是指消除_PAGE_DIRTY位
Pte_mkyoung	设置访问位，在大多数体系结构上是_PAGE_ACCESSED
Pte_mkold	清除访问位

 这些函数经常3个1组，分别用于设置、删除、查询某个特定的属性。内核假定页面数据的访问可以按3种不同的方式控制，即读、写和执行权限。

2. 页表项的创建和操作

函数	描述
Mk_pte	创建一个页表项。必须将page实例和所需的页访问控制权限作为参数传递
Pte_page	获得页表项描述的页对应的page实例地址
Pgd_alloc	分配并初始化可容纳一个完整页表的内存
Pud_alloc
Pmd_alloc
Pte_alloc
Pgd_free	释放页表占据的内存
Pud_free
Pmd_free
Pte_free
Set_pgd	设置页表中某项的值
Set_pud
Set_pmd
Set_pte