Linux內(nèi)核編譯后地址空間的整理
有這么一系列的問(wèn)題，是否在困擾著你：用戶程序編譯連接形成的地址空間在什么范圍內(nèi)？?jī)?nèi)核編譯后地址空間在什么范圍內(nèi)？要對(duì)外設(shè)進(jìn)行訪問(wèn)，I/O的地址空間又是什么樣的？
先回答***個(gè)問(wèn)題。Linux最常見的可執(zhí)行文件格式為elf(Executable and Linkable Format)。在elf格式的可執(zhí)行代碼中，ld總是從0x8000000開始安排程序的“代碼段”，對(duì)每個(gè)程序都是這樣。至于程序執(zhí)行時(shí)在物理內(nèi)存中的實(shí)際地址，則由內(nèi)核為其建立內(nèi)存映射時(shí)臨時(shí)分配，具體地址取決于當(dāng)時(shí)所分配的物理內(nèi)存頁(yè)面。
我們可以用Linux的實(shí)用程序objdump對(duì)你的程序進(jìn)行反匯編，從而知曉其地址范圍。
例如：假定我們有一個(gè)簡(jiǎn)單的C程序Hello.c
- # include <stdio.h>
- greeting ( )
- {
- printf(“Hello,world!\n”);
- }
- main()
- {
- greeting();
- }
之所以把這樣簡(jiǎn)單的程序?qū)懗蓛蓚€(gè)函數(shù)，是為了說(shuō)明指令的轉(zhuǎn)移過(guò)程。我們用gcc和ld對(duì)其進(jìn)行編譯和連接，得到可執(zhí)行代碼hello。然后，用Linux的實(shí)用程序objdump對(duì)其進(jìn)行反匯編：
- $objdump -d hello
得到的主要片段為：
- 08048568 <greeting>:
- 8048568: pushl %ebp
- 8048569: movl %esp, %ebp
- 804856b: pushl $0x809404
- 8048570: call 8048474 <_init+0x84>
- 8048575: addl $0x4, %esp
- 8048578: leave
- 8048579: ret
- 804857a: movl %esi, %esi
- 0804857c <main>:
- 804857c: pushl %ebp
- 804857d: movl %esp, %ebp
- 804857f: call 8048568 <greeting>
- 8048584: leave
- 8048585: ret
- 8048586: nop
- 8048587: nop
其中，像08048568這樣的地址，就是我們常說(shuō)的虛地址（這個(gè)地址實(shí)實(shí)在在的存在，只不過(guò)因?yàn)槲锢淼刂返拇嬖?，顯得它是“虛”的罷了）。
虛擬內(nèi)存、內(nèi)核空間和用戶空間
Linux虛擬內(nèi)存的大小為2^32（在32位的x86機(jī)器上），內(nèi)核將這4G字節(jié)的空間分為兩部分。***的1G字節(jié)（從虛地址0xC0000000到0xFFFFFFFF）供內(nèi)核使用，稱為“內(nèi)核空間”。而較低的3G字節(jié)（從虛地址0x00000000到0xBFFFFFFF），供各個(gè)進(jìn)程使用，稱為“用戶空間”。因?yàn)槊總€(gè)進(jìn)程可以通過(guò)系統(tǒng)調(diào)用進(jìn)入內(nèi)核，因此，Linux內(nèi)核空間由系統(tǒng)內(nèi)的所有進(jìn)程共享。于是，從具體進(jìn)程的角度來(lái)看，每個(gè)進(jìn)程可以擁有4G字節(jié)的虛擬地址空間(也叫虛擬內(nèi)存)。
每個(gè)進(jìn)程有各自的私有用戶空間（0～3G），這個(gè)空間對(duì)系統(tǒng)中的其他進(jìn)程是不可見的。***的1GB內(nèi)核空間則為所有進(jìn)程以及內(nèi)核所共享。另外，進(jìn)程的“用戶空間”也叫“地址空間”，在后面的敘述中，我們對(duì)這兩個(gè)術(shù)語(yǔ)不再區(qū)分。
用戶空間不是進(jìn)程共享的，而是進(jìn)程隔離的。每個(gè)進(jìn)程***都可以有3GB的用戶空間。一個(gè)進(jìn)程對(duì)其中一個(gè)地址的訪問(wèn)，與其它進(jìn)程對(duì)于同一地址的訪問(wèn)絕不沖突。比如，一個(gè)進(jìn)程從其用戶空間的地址0x1234ABCD處可以讀出整數(shù)8，而另外一個(gè)進(jìn)程從其用戶空間的地址0x1234ABCD處可以讀出整數(shù)20，這取決于進(jìn)程自身的邏輯。
任意一個(gè)時(shí)刻，在一個(gè)CPU上只有一個(gè)進(jìn)程在運(yùn)行。所以對(duì)于此CPU來(lái)講，在這一時(shí)刻，整個(gè)系統(tǒng)只存在一個(gè)4GB的虛擬地址空間，這個(gè)虛擬地址空間是面向此進(jìn)程的。當(dāng)進(jìn)程發(fā)生切換的時(shí)候，虛擬地址空間也隨著切換。由此可以看出，每個(gè)進(jìn)程都有自己的虛擬地址空間，只有此進(jìn)程運(yùn)行的時(shí)候，其虛擬地址空間才被運(yùn)行它的CPU所知。在其它時(shí)刻，其虛擬地址空間對(duì)于CPU來(lái)說(shuō)，是不可知的。所以盡管每個(gè)進(jìn)程都可以有4 GB的虛擬地址空間，但在CPU眼中，只有一個(gè)虛擬地址空間存在。虛擬地址空間的變化，隨著進(jìn)程切換而變化。
從上面我們知道，一個(gè)程序編譯連接后形成的地址空間是一個(gè)虛擬地址空間，但是程序最終還是要運(yùn)行在物理內(nèi)存中。因此，應(yīng)用程序所給出的任何虛地址最終必須被轉(zhuǎn)化為物理地址，所以，虛擬地址空間必須被映射到物理內(nèi)存空間中，這個(gè)映射關(guān)系需要通過(guò)硬件體系結(jié)構(gòu)所規(guī)定的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來(lái)建立。這就是我們所說(shuō)的段描述符表和頁(yè)表，Linux主要通過(guò)頁(yè)表來(lái)進(jìn)行映射。
于是，我們得出一個(gè)結(jié)論，如果給出的頁(yè)表不同，那么CPU將某一虛擬地址空間中的地址轉(zhuǎn)化成的物理地址就會(huì)不同。所以我們?yōu)槊恳粋€(gè)進(jìn)程都建立其頁(yè)表，將每個(gè)進(jìn)程的虛擬地址空間根據(jù)自己的需要映射到物理地址空間上。既然某一時(shí)刻在某一CPU上只能有一個(gè)進(jìn)程在運(yùn)行，那么當(dāng)進(jìn)程發(fā)生切換的時(shí)候，將頁(yè)表也更換為相應(yīng)進(jìn)程的頁(yè)表，這就可以實(shí)現(xiàn)每個(gè)進(jìn)程都有自己的虛擬地址空間而互不影響。所以，在任意時(shí)刻，對(duì)于一個(gè)CPU來(lái)說(shuō)，只需要有當(dāng)前進(jìn)程的頁(yè)表，就可以實(shí)現(xiàn)其虛擬地址到物理地址的轉(zhuǎn)化。
內(nèi)核空間到物理內(nèi)存的映射
內(nèi)核空間對(duì)所有的進(jìn)程都是共享的，其中存放的是內(nèi)核代碼和數(shù)據(jù)，而進(jìn)程的用戶空間中存放的是用戶程序的代碼和數(shù)據(jù)，不管是內(nèi)核程序還是用戶程序，它們被編譯和連接以后，所形成的指令和符號(hào)地址都是虛地址（參見2.5節(jié)中的例子），而不是物理內(nèi)存中的物理地址。
雖然內(nèi)核空間占據(jù)了每個(gè)虛擬空間中的***1GB字節(jié)，但映射到物理內(nèi)存卻總是從***地址（0x00000000）開始的，如圖4.2所示，之所以這么規(guī)定，是為了在內(nèi)核空間與物理內(nèi)存之間建立簡(jiǎn)單的線性映射關(guān)系。其中，3GB（0xC0000000）就是物理地址與虛擬地址之間的位移量，在Linux代碼中就叫做PAGE_OFFSET。
我們來(lái)看一下在include/asm/i386/page.h頭文件中對(duì)內(nèi)核空間中地址映射的說(shuō)明及定義：
- #define __PAGE_OFFSET (0xC0000000)
- ……
- #define PAGE_OFFSET ((unsigned long)__PAGE_OFFSET)
- #define __pa(x) ((unsigned long)(x)-PAGE_OFFSET)
- #define __va(x) ((void *)((unsigned long)(x)+PAGE_OFFSET))
對(duì)于內(nèi)核空間而言，給定一個(gè)虛地址x，其物理地址為“x- PAGE_OFFSET”，給定一個(gè)物理地址x，其虛地址為“x+ PAGE_OFFSET”。
這里再次說(shuō)明，宏__pa()僅僅把一個(gè)內(nèi)核空間的虛地址映射到物理地址，而決不適用于用戶空間，用戶空間的地址映射要復(fù)雜得多，它通過(guò)分頁(yè)機(jī)制完成。
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