Linux i386分页与内存管理详解：地址映射与空间分布

Linux的存储管理是操作系统中至关重要的组成部分，尤其是在Intel x86架构下。本文将深入探讨Linux在i386保护模式下的分段与分页机制，以及如何实现线性地址空间的高效管理。 首先，让我们理解Intel x86保护模式的地址映射。在这个模式下，地址由多个字段组成：段选择子（16 bits）用于指示段，段内偏移（32 bits）指定位在段内的位置，页内偏移（12 bits）进一步定位在段内的页，而物理地址（32 bits）则是最终的物理内存地址。段描述符和段界限也起到关键作用，GDT（全局描述符表）和LDT（局部描述符表）分别存储了这些信息。 Intel x86的分段机制中，描述符索引占用13 bits，用于访问GDT或LDT中的描述符。每个段描述符包括访问特权级、段内偏移、段基地址等信息，通过组合这些信息形成线性地址。段界限（20 bits）则用于确定一个段在物理内存中的位置。 在Linux上，i386架构的分页机制更为复杂。线性地址由页目录索引（10 bits）和页表索引（10 bits）组成，同时还需要考虑页目录项（PMD）和页表项（pte）。PMD是一个指向实际页框地址的指针，PMD的索引通过地址的PMD_SHIFT计算得出。Linux的页大小可以是4KB或4MB，这会影响页目录和页表的设计。 Linux的线性地址空间分配是其存储管理的核心。总共有4GB的地址空间，其中前3GB用于用户空间和内核空间共享，用户空间地址范围从0x00000000到0xBFFFFFFF，而内核空间则从0xC0000000开始。为了提高效率，用户空间的页目录项在0x00000000到0x7FFFFFFF这一部分，后四分之一指向内核空间的页目录，这样只有在发生page_fault时才进行同步，以减少同步开销。 线性地址空间的分布还包括内存映射区域，如文件映射、共享库、内核代码/数据/堆栈等。内存映射允许应用程序直接操作文件内容，从而提供了高效的数据交换。此外，系统还保留了一部分特定的映射区域，例如系统保留区，以供内核使用特殊功能。 总结来说，Linux的存储管理涉及地址空间的划分、内存管理接口、页表和描述符的使用，以及复杂的线性地址空间分配策略。理解这些概念对于开发人员在Linux平台上进行高效的程序设计和优化至关重要。