Linux内核线性地址空间详解

本文将详细探讨Linux操作系统的线性地址空间分配，特别是在i386架构下的实现方式，包括分页机制、线性地址空间的划分以及内核和用户空间的交互。 在Intel x86保护模式下，地址映射采用分段和分页的混合机制。线性地址由段选择子（16位）、段内偏移（32位）和页内偏移（12位）组成，最终形成32位物理地址。段选择子指向全局描述符表（GDT）或本地描述符表（LDT），其中包含段基地址、段界限等信息，段内偏移加上段基地址得到线性地址。分页机制中，逻辑地址通过页目录索引（10位）和页表索引（10位）定位到页表中的页表项，进而获取页帧首地址，结合页内偏移形成物理地址。 Linux在i386上的分页机制中，使用了页全局目录（pgd）、页中间目录（pmd）和页表条目（pte）。线性地址通过PMD_SHIFT进行页中间目录索引，找到对应的页表项。每个页表项包含存在位、读写位、用户态/核心态访问位、写透标志、高速缓存禁用标志、访问位、已写标志和页大小信息。 Linux的4GB线性地址空间被分为用户空间和内核空间。其中，0x00000000到0xBFFFFFFF的3GB空间供用户和内核共享，而0xC0000000到0xFFFFFFFF的1GB则为内核独占，用户态程序无法直接访问。每个进程的页目录的最后四分之一映射到内核页目录，减少同步开销。内核仅在处理页错误（page_fault）时同步用户进程的页目录项，允许存在不一致的情况。 内核空间进一步细分为物理内存区、虚拟内存分配区、高端页面映射区、专用页面映射区和系统保留映射区。物理内存区用于直接映射物理内存，虚拟内存分配区用于动态分配内存，高端页面映射区处理高地址空间的映射，专用页面映射区服务于特定硬件或内核模块，系统保留映射区则保存操作系统核心代码和数据。 用户地址空间通常包括程序代码、数据、堆和栈等部分，同时可能有文件映射区域，用于共享库的加载。内核地址空间包含了内核代码、内核数据结构、内核堆栈以及设备驱动等。 在内存管理方面，Linux使用空闲物理内存管理算法来分配和回收物理内存，提供内核物理内存分配接口供系统调用。此外，Linux支持共享存储，允许多个进程共享同一块物理内存，如通过mmap系统调用来实现文件映射或匿名映射，从而实现内存共享。 总结起来，Linux的线性地址空间分配和管理是一个复杂而精细的过程，它确保了内核和用户程序的有效隔离，同时也提供了高效且灵活的内存分配策略。理解这一机制对于系统编程和性能优化至关重要。