深入淺出記憶體管理頁表的建立

頁表的建立

linux在啟動過程中，要首先進行記憶體的初始化，那麼就一定要首先建立頁表。我們知道每個程序都擁有各自的程序空間，而每個程序空間又分為核心空間和使用者空間。

以arm32為例，每個程序有4g的虛擬空間，其中0-3g屬於使用者位址空間，3g-4g屬於核心位址空間，核心位址空間是所有程序共享的，因此核心位址空間的頁表也是所有程序共享的。

linux核心中使用者程序記憶體頁表的管理是通過乙個結構體mm_struct來描述的:

struct mm_struct ;

這個結構體中的pgd成員就是代表著pgd頁表的存放位置，通過前面文章的介紹，我們知道pgd頁表項中存放的是下一級頁表的基位址，這樣通過它我們就可以進一步找到pud/pmd/pte後面的頁表了。

使用者程序頁表

程序頁表是存放在各自程序的task_struct中的，我們先來看下task_struct:

include/linux/sched.h：

struct task_struct ;

這個mm成員變數中就是存放的該程序對應的mm_struct結構體資料，通過它我們就可以知道對應程序的頁表了。

mm active_mm

使用者程序位址空間活躍的使用者程序位址空間

active_mm成員是專門為核心程序引入的，核心程序是不需要訪問使用者位址空間的，也就是說mm成員是被設定為null的，那麼為了讓核心程序與普通使用者程序具有統一的上下文切換方式，當核心程序進行上下文切換時，讓核心程序的active_mm指向剛被排程出去的程序的active_mm，之所以引入這個機制，是為了節省context switch帶來的系統開銷，當我們發現要程序切換的是乙個核心程序（執行緒）時，由於我們不需要訪問使用者位址，那麼只需要借用上乙個程序的active mm配置即可，這樣一來，排程器就可以節省switch_mm的開銷了，由此可以很大提高系統效能。

static __always_inline struct rq *
context_switch(struct rq *rq, struct task_struct *prev,
struct task_struct *next, struct pin_cookie cookie)
else
switch_mm_irqs_off(oldmm, mm, next);

通過上面的函式可見，對於mm為空的情況，直接把active_mm 設定為prev->active_mm，這就是設定的核心執行緒的位址空間。而對於使用者程序，active_mm就被設定為等於mm，這一步是在fork的時候做的：

static int copy_mm(unsigned long clone_flags, struct task_struct *tsk)
retval = -enomem;
mm = dup_mm(tsk);
if (!mm)
goto fail_nomem;
good_mm:
tsk->mm = mm;
tsk->active_mm = mm;
return 0;
fail_nomem:
return retval;
}

fork執行的時候是會呼叫copy_mm函式的，此函式通過oldmm來判斷當前執行fork的是核心程序還是使用者程序，如果是oldmm為空，代表著要建立的是乙個核心程序，此時我們直接返回，如果是乙個使用者程序，那麼最後會設定 tsk->mm = mm; 並且 tsk->active_mm = mm; 。task_struct中的mm成員主要是記錄使用者位址空間，其中記錄的pgd是會最終配置到mmu中的ttbr0暫存器中的。

核心頁表

struct mm_struct init_mm = ;

/* to find an entry in a page-table-directory */
#define pgd_index(addr)     ((addr) >> pgdir_shift)
#define pgd_offset(mm, addr)    ((mm)->pgd + pgd_index(addr))
/* to find an entry in a kernel page-table-directory */
#define pgd_offset_k(addr)  pgd_offset(&init_mm, addr)

/*
* create the page directory entries and any necessary
* are able to cope here with varying sizes and address
* offsets, and we take full advantage of sections and
* supersections.
*/  
if ((md->type == mt_device || md->type == mt_rom) &&
md->virtual >= page_offset && md->virtual < fixaddr_start &&
(md->virtual < vmalloc_start || md->virtual >= vmalloc_end)) 
}

#define init_task(tsk)  \
,                              \
......

核心頁表是如何在不同程序中共享的？

核心位址空間使用的ttbr1作為頁表基位址，而使用者位址空間是ttbr0作為頁表基位址，這樣我們只需要配置核心頁表後設定到ttbr1暫存器，後面再各個程序切換時，不對ttbr1做切換，即可共享這段記憶體配置，而使用者空間位址，我們在程序切換是需要進行切換，這個切換是通過task_struct中的mm_struct成員來做的。

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