Linux 操作系統(tǒng)是類 UNIX 系統(tǒng)中的一員，并且在操作系統(tǒng)發(fā)展過程中起著重要的作用。Linux 之所以能夠發(fā)展得如此迅速，最主要的原因是其具有開源的特點(diǎn)，任何人都可以獲得源代碼并進(jìn)行研究。本書主要對 Linux 內(nèi)核進(jìn)行深度的剖析，并詳細(xì)討論內(nèi)核的主要功能及其內(nèi)部結(jié)構(gòu)，同時給出了內(nèi)核的實(shí)現(xiàn)。本章將簡要介紹內(nèi)核所涉及的基本知識，此外，對內(nèi)核所涉及的各領(lǐng)域進(jìn)行簡單的闡述。 1.1 Linux 的內(nèi)存管理機(jī)制操作系統(tǒng)的內(nèi)存管理分為頁式管理和段式管理兩種管理機(jī)制，對于段式內(nèi)存管理機(jī)制，是將指令中結(jié)合段寄存器使用的 32 位邏輯地址映射為 32 位的物理地址。隨著操作系統(tǒng)的發(fā)展，提出了保護(hù)模式和虛擬內(nèi)存管理的概念，Intel 在分段機(jī)制的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了包含模式和虛擬內(nèi)存管理，后來出現(xiàn)了分頁機(jī)制并逐漸成為內(nèi)存管理機(jī)制的主流。Intel 出于兼容性的考慮，保留了段式內(nèi)存管理機(jī)制，段寄存器用做選擇子，段基地址及其他的某些屬性存放在內(nèi)存中，稱為段描述符表。段式內(nèi)存管理機(jī)制的靈活性和效率都比較差，這樣就需要采用頁式管理機(jī)制。頁式管理就是通過分頁單元將線性地址轉(zhuǎn)換為物理地址，其中一個重要的任務(wù)就是把請求的訪問類型與線性地址的訪問權(quán)限進(jìn)行對比，如果該內(nèi)存訪問無效，則產(chǎn)生一個缺頁的異常。內(nèi)核把線性地址分為 4KB 大小的頁面，其中的每個頁面都可以映射到物理地址空間的任意 4KB 大小的地址。在該映射過程中，連續(xù)的線性地址映射到物理地址空間中不一定是連續(xù)的，分頁單元把所有的 RAM 分成固定長度的物理頁，每一個物理頁（Page Frame）包含一個頁。把線性地址映射到物理地址的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)稱為頁表，該頁表存放在主存中，并在啟用分頁單元之前由內(nèi)核對頁表進(jìn)行初始化。由于引入了頁式管理，因此 32 位的線性地址分為 3 個區(qū)域，分別為 Directory（目錄）、Table（頁表）及 Offset（偏移）。目錄是線性地址的最高 10 位，用做頁面表目錄的下標(biāo)，指向一個頁面表；頁表是線性地址的中間 10 位，用做具體頁面表中的下標(biāo)，指向具體的物理頁面；偏移則是線性地址的最低 12 位，用于指向具體物理頁面內(nèi)的偏移量。對于每一個活動進(jìn)程都有一個分配的頁目錄，正在使用的頁目錄的物理地址存放在 cr3 控制寄存器中。線性地址的 Directory 字段決定了頁目錄中的目錄項(xiàng)，目錄項(xiàng)指向某個頁表，線性地址的 Table 字段則決定了頁表中的頁表項(xiàng)，Offset 字段決定頁框內(nèi)的偏移量，由于該字段包含了 12 位，因此每頁包含了 4 096 字節(jié)的數(shù)據(jù)。頁式映射的示意圖如圖 1-1 所示。