Windows/Linux内核地址空间管理的异同

相信很多人都知道Windows页表自映射一说，也晓得Linux内核的一一线性映射。然而很多人也仅仅就是知道而已，记住一个结论比理解一个原因要简单得多。

上周末，有人极具挑衅态度的问我能否分别用一句话描述它们，我承认我不是布道者，也难以说出”道可道，非常道“的玄语，但我十分赞同老子的观点，能说出来的道就不是大道，虽难以说出，但却可以解释，说到解释，那就是越详细越好了，冗长并不总是贬义词。在这样的心理慰藉下，才会有以下的文字，虽已深更，却不无聊...

本文基于32位Intel体系结构讨论！怕打字跟不上思维，有些地方只好缺失严谨性，比如在应该写下”1G内存或者2G内存(后者处在2G/2G模式下)“的时候，我会直接写”1G内存“，但是并不总是这样。

1.虚拟地址空间概述

现代操作系统上，物理内存不再对程序可见。也就是说，程序指令本身以及其访问的任何数据都处在虚拟地址空间，机器通过一个叫做MMU的机构将其映射为真实的物理内存页面。

程序直接访问的地址为虚拟地址，访问地址(也包含取指等)会触发MMU工作，MMU自动将访问的地址映射到真实的物理地址，如果没有分配物理页面，将会触发缺页异常，系统捕获该异常，之后默默地分配一个页面，重新发起由于没有分配页面而失败的访问，所有这一切都是自动且默默地发生的，对应用程序是完全透明的。页面调度这个机制完美地迎合了程序访问的局部性原则。

虚拟地址填充整个32位地址空间，为了管理的高效性，很多的系统将这32位的地址空间拆分成了两个部分，即用户空间和内核空间。但是记住，这个拆分并不是必须的！所谓的内核空间和用户空间在Intel体系上表现为特权环0和特权环3。根本上的意义是，一个任务有一个满32位的地址空间，如果某个系统将进程32位的地址空间拆成了两个部分，那么则说明该任务进程本身包含内核特权环0的部分，如果没有拆分，那么就说明该任务进程没有内核部分。Remenber，一个满32位的地址空间使用一套MMU页表！

如果一个进程没有内核部分，当系统中断，系统异常，或者该进程本身调用系统调用的时候，怎么办呢？不要被现有的Linux，Windows的实现迷惑了，再次声明，拆分地址空间并不是必须的！如果在没有拆分地址空间的情况下出现上述情况，很简单，切换MMU页表即可，也就是说，系统单独维护一个满32位的内核地址空间为所有的满32位地址空间的进程服务！

说了这么多，该来点实例了，我们熟知的Linux，Windows系统，可以支持3G/1G模式，意即满32位的进程地址空间中，用户态占3G，内核态占1G；可以是2G/2G模式，解释同上，这些都是拆分地址空间的情况，这些情况在进入内核态的时候叫做陷入内核，因为即使进入了内核态，还处在同一个地址空间中，并不切换CR3寄存器。还有一种模式是4G/4G模式，即不拆分地址空间的情况，内核单独占有一个4G的地址空间，所有的用户进程独享自己的4G地址空间，这种模式下，在进入内核态的时候，叫做切换到内核，因为需要切换CR3寄存器(切换MMU页表)，所以进入了不同的地址空间！

说到这里，应该知道为何文档上说4G/4G模式虽然解放了内核地址空间，使其可以容纳更多的管理机构，然而会付出一点小的代价了吧，所谓的代价就是切换CR3以及所有因此而引发的副作用！

2.Windows地址空间

一直我都以为，一个好的开始会带来令人愉快的结果，一个不好的开始会让人很累！确实是这样。很多人想理解Windows页表自映射，然后去google，去百度，得到的结果几乎都是在解释以下这个宏定义：

#define MiGetVirtualAddressMappedByPte(PTE)    ((PVOID)((ULONG)(PTE) << 10))

于是很多人都在纠结于那个魔术字10，画了N个图，但是基本都是在抄袭Dave Probert很久前写的一篇文章《Windows Kernel Internals II Processes, Threads, VirtualMemory》。关键是最终还是没有讲明白。本来是一个很简单的事情，被却无端复杂化了。我觉得就是没有找到一个好的开始。什么是好的开始呢？

我认为我找到了，那就是WIndows进程虚拟地址空间的布局！如果这个布局设计的原则你搞明白了，那些宏你自己也能写出来了！不管怎么说，在看图之前，还是要先说一下Windows地址空间设计的原则，那就是：每个进程拥有自己单独的满32位地址空间！不管是3G/1G模式，还是2G/2G模式，还是4G/4G模式，每个进程都是独立的虚拟地址空间，这也是现代操作系统的设计原则，并非Windows独创。在这些单独的地址空间中，所有进程拥有相同的映射规则，比如虚拟地址XX不管在进程A还是在进程B，映射的都是自己的进程控制块PCB...如下图所示：

其实知道了这个，悟性好的同学可能已经知道自映射的设计细节了，但是我还是继续下去吧，以免让人家说我虎头蛇尾。

页表自映射，一个神奇的映射方式，为什么呢？它可不仅仅是为了节省4K的内存空间，虽然它确实可以节省4K的内存空间。最要紧的是，页表自映射机制提供了一套内核空间直接访问任意页面的高效方式。在讲页表自映射前，我先说一下WIndows的线性映射机制，即“页表项虚拟地址和进程地址空间虚地址页面的线性映射关系”，简称页表的线性映射。(注意和下一节中要讲的Linux的内核虚拟地址和物理地址的线性映射相区分）

Windows页表的线性映射理解起来很简单。Windows的所有页表处在地址空间的固定部分且按照虚拟地址连续分布，那么所有的页表项的虚拟地址也是连续分布，从最开始处，连续的页表项负责连续的虚拟地址的映射，如下图所示：

注意，直到现在，我都没有提到页目录，因为页目录纯粹是为了多级页表而引入的，Windows只是借助了页目录的概念，无形中用将页表映射到虚拟地址空间而取消了页目录带来的4K开销。Windows只是在地址空间的固定位置开始连续映射所有的页表，这些页表当中存在一个页表的页表，即页目录，页目录就这样湮没在页表中了。且往下看！

有了这个基础做依托，后面的自映射以及神奇的宏就是一个自然而然的结果了。为何这么说呢？分别来说。

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