1、Linux操作系统内核分析湘潭大学信息工程学院内存布局内核模块高速缓存ram主内存main_memory_startmemory_end在main.c中（P65第121行）main_memory_start的最小值可能是1Mmemory_end的最大值可能是16Mbuffer_memory_end主内存界限定义在memory.c（P335第43行）#define LOW_MEM 0 x100000#define PAGING_MEMORY(15*1024*1024)#define PAGING_PAGES(PAGING_MEMORY12)物理页面要管理物理页面，必须知道以下属性l是否被分配l被
2、多少个对象共同使用l存取权限（可写、只读）l是否被访问过l是否被修改过硬件支持，参见书P330图10-4内存管理数据结构记录下物理页面的被引用次数。0 该页面还没有被分配分配次数=n 该页面被分配，被n个进程使用内存管理数据结构在memory.c（P335第57行）static unsigned char mem_map PAGING_PAGES =0,;内核模块第0页1M第1页第2页第3页mem_map数组的每一个数组元素记录每一页的分配次数物理页面开始地址与映射数组下标从物理页面开始地址到数组下标#define MAP_NR(addr)(addr)-LOW_MEM)12)/P335第46行
3、从数组下标到物理页面开始地址数组下标12+LOW_MEM内存管理模块的接口内存管理模块中断/异常管理模块内核其它模块进程管理模块get_free_pagefree_pagecopy_page_tablesfree_page_tablespage_fault初始化模块mem_init内存管理初始化内核模块1M000000000000mem_map数组高速缓冲虚拟盘主内存100 100 100 100 100 100 10000000内存管理初始化定义在memory.c（P344第399行）void mem_init(long start_mem,long end_mem)参数：start_mem
4、主内存的开始位置 end_mem主内存的结束位置void mem_init(long start_mem,long end_mem)int i;HIGH_MEMORY=end_mem;for(i=0;i=12;while(end_mem-0)mem_mapi+=0;全局变量主内存开始页面对应的数组下标分配物理页面unsigned long get_free_page(void)定义在memory.c（P335第63行）作用：分配一个物理页面返回：可以分配一个物理页面则返回物理页面的开始地址，否则返回0分配物理页面算法unsigned long get_free_page(void)regist
5、er unsigned long _res asm(ax);_asm_(std;repne;scasbntjne 1fntmovb$1,1(%edi)ntsall$12,%ecxntaddl%2,%ecxntmovl%ecx,%edxntmovl$1024,%ecxntleal 4092(%edx),%edintrep;stoslntmovl%edx,%eaxn1:=a(_res):0(0),i(LOW_MEM),c(PAGING_PAGES),D(mem_map+PAGING_PAGES-1);return _res;scasb把al中的值与edi所指向的内存单元的值进行比较，比较完后根据D
6、F标志把edi的值加1(DF=0)或减1(DF=1)010000mem_mapediedi1回收物理页面void free_page(unsigned long addr)定义在memory.c（P335第89行）作用：回收一个物理页面参数：addr要回收的物理页面的开始地址void free_page(unsigned long addr)if(addr=HIGH_MEMORY)panic(trying to free nonexistent page);addr-=LOW_MEM;addr=12;if(mem_mapaddr-)return;mem_mapaddr=0;panic(tryi
7、ng to free free page);回收页面并不把页面清0，清0工作放在分配时来做。因为该回收的页面还不知道是否会被重新分配出去共享内存进程可以共享数据和代码，但是共享也会带来问题：一个进程修改共享数据时会影响到其它进程。Linux使用一种叫写时复制的技术来解决以上问题。即，把所有共享页都置为只读，当进程试图向共享页写的时候就会引起页面异常；在处理页面异常时创建共享页的拷贝，并把该拷贝分配给引起异常的进程。参见书P330图10-4，以及书P332共享内存进程3进程2进程164M64M4G线性空间页表物理空间只读共享内存int copy_page_tables(unsigned long
8、 from,unsigned long to,long size)/定义在memory.c（P337第150行）作用：使得两段线性地址空间映射到同一物理地 址空间上，从而实现物理空间共享参数：from源线性起始地址 to目的线性起始地址 size线性空间大小页目录481200123索引指针指针=索引*4 =线性地址22*4 =线性地址20&0 xffc页目录from_dirto_dir size页表from_page_tablenrto_page_table释放页表int free_page_tables(unsigned long from,unsigned long size)/定义在me
9、mory.c（P336第105行）作用：释放线性空间的页表和所映射的物理 页面参数：from线性空间起始地址 size线性空间大小释放页表页目录页表0页异常进程访问内存时会发生两种错误l线性地址对应的物理地址不存在缺页异常l对只读的物理单元进行写操作写异常CPU会产生一个页异常，并执行以下操作l向内核堆栈压入：异常发生时的堆栈指针，指令指针和出错码（最后一位指示错误原因：0表示缺页异常；1表示写异常）l在cr2寄存器中保存引起异常的线性地址页异常处理程序void page_fault()定义在page.s（P345第14行）作用：处理页异常在trap.c中的trap_init函数中注册（P81
10、第199行）用户态ss用户态espeflagscseip出错码especxedxdsesfs线性地址出错码eax写异常处理void do_wp_page(unsigned long error_code,unsigned long address)/定义在memory.c（P340第247行）作用：处理缺页异常参数：error_code出错码 address引起异常的线性地址进程3进程2进程164M64M4G线性空间页表物理空间只读拷贝缺页异常处理void do_no_page(unsigned long error_code,unsigned long address)/定义在memory.
11、c（P343第365行）作用：处理缺页异常参数：error_code出错码 address引起异常的线性地址进程组成部分代码数据bss用户态堆栈环境参数nr*64M(nr+1)*64Mstart_codeend_codeend_databrkstart_stack虚拟地址内核进程n线性地址空间页表3物理页面页表m页目录建立该物理地址与线性地址的映射建立该物理地址与线性地址的映射unsigned long put_page(unsigned long page,unsigned long address)/定义在memory.c中（P339第197行）作用：把物理页面的开始地址映射到线性地 址上
12、参数：page物理页面的地址 address线性页面开始地址建立该物理地址与线性地址的映射page_table页目录page_table把此页表项的内容设置为参数中的物理地址共享部分页面static int share_page(unsigned long address)/定义在memory.c（P343第344行）作用：试图在当前进程中共享某个页面参数：address虚拟地址中的偏移量返回：成功返回1，否则返回0共享部分页面当需要为进程分配物理页面时，Linux总是试图查看是否其他进程也使用了此页面，如果是的话则共享此页面；否则，才真正分配内存给进程。共享的条件l两个进程使用的是同一个可执
13、行文件l要共享的页面必须存在，并且是干净的相同偏移所对应的物理页面共享部分页面参数address=发生缺页的线性地址-start_code.P341第300行和第301行from_page=(p_start_code+address)20&0 xffcto_page=(current_start_code+address)20)&0 xffc共享部分页面页目录from_pageto_pagefromfrom_pagephys_addrtoto_page为进程线性地址请求物理页面void get_empty_page(unsigned long address)定义在memory.c（P341第274行）作用：为线性地址请求物理页面参数：address线性地址在内核中不能直接使用进程的指针指针实际上是虚拟地址中的偏移量进程中指针对应的线性地址是nr*64M(进程数据/代码段基地址)+指针值如果该指针直接在内核中使用，对应的线性地址是0(内核数据/代码段基地址)+指针值通过页表映射不能保证这两个线性地址被映射到相同的物理地址完整的虚拟地址是段选择子和偏移量构成内核和用户进程交换数据在segment.h中定义了多个内联函数用于内核和进程的数据交换put_fs_数据类型：向进程写一个数据类型大小的数据get_fs_数据类型：从进程读一个数据类型大小的数据 P387
