Таблицы страниц

Таблицы страниц

Хотя пользовательские программы и работают с виртуальной памятью, которая отображается на физические адреса, процессоры работают непосредственно с этими физическими адресами. Следовательно, когда приложение обращается к адресу виртуальной памяти, этот адрес должен быть конвертирован в физический адрес, чтобы процессор смог выполнить запрос. Соответствующий поиск выполняется с помощью таблиц страниц. Таблицы страниц работают путем разбиения виртуального адреса на части. Каждая часть используется в качестве индекса (номера) записи в таблице. Таблица содержит или указатель на другую таблицу, или указатель на соответствующую страницу физической памяти.

В операционной системе Linux таблицы страниц состоят из трех уровней[83]. Несколько уровней позволяют эффективно поддерживать неравномерно заполненные адресные пространства даже для 64-разрядных машин. Если бы таблицы страниц были выполнены в виде одного статического массива, то их размер, даже для 32-разрядных аппаратных платформ, был бы чрезвычайно большим. В операционной системе Linux трехуровневые таблицы страниц используются даже для тех аппаратных платформ, которые аппаратно не поддерживают трехуровневых таблиц (например, для некоторых аппаратных платформ поддерживается только два уровня или аппаратно реализовано хеширование). Три уровня соответствуют своего рода "наибольшему общему знаменателю". Для аппаратных платформ с менее сложной реализацией работа с таблицами страниц в ядре при необходимости может быть упрощена с помощью оптимизаций компилятора.

Таблица страниц самого верхнего уровня называется глобальным каталогом страниц (page global directory, PGD). Таблица PGD представляет собой массив элементов типа pgd_t. Для большинства аппаратных платформ тип pgd_t соответствует типу unsigned long. Записи в таблице PGD содержат указатели на каталоги страниц более низкого уровня, PMD.

Каталоги страниц второго уровня еще называются каталогами страниц; среднего уровня (page middle directory, PMD). Каждый каталог PMD — это массив элементов типа pmd_t. Записи таблиц PMD укалывают на таблицы РТЕ (page table entry, запись таблицы страниц).

Таблицы страниц последнего уровня называются просто таблицами страниц и содержат элементы типа pte_t. Записи таблиц страниц указывают на страницы памяти.

Для большинства аппаратных платформ поиск в таблицах страниц выполняется аппаратным обеспечением (по крайней мере частично). При нормальной работе аппаратное обеспечение берет на себя большую часть ответственности по использованию таблиц страниц. Однако для этого ядро должно все настроить так, чтобы аппаратное обеспечение могло нормально работать. На рис. 14.1 показана диаграмма того, как происходит перевод виртуального адреса в физический с помощью таблицы страниц.

Рис. 14.1. Таблицы страниц

Каждый процесс имеет свои таблицы страниц (разумеется, потоки эти таблицы используют совместно). Поле pgd дескриптора памяти указывает на глобальный каталог страниц. Манипуляции с таблицами и прохождение по ним требуют захвата блокировки page_table_lock, которая также находится в соответствующем дескрипторе памяти.

Структуры данных, связанные с таблицами страниц, сильно зависят от аппаратной платформы и определены в файле <asm/page.h>.

Поскольку практически каждое обращение к страницам виртуальной памяти требует определения соответствующего адреса физической памяти, производительность операций с таблицами страниц является очень критичной. Поиск всех этих адресов в памяти должен всегда выполняться очень быстро. Чтобы посодействовать этому, большинство процессоров имеют буфер быстрого преобразования адреса (translation lookaside buffer, или TLB), который работает, как аппаратный кэш отображения виртуальных адресов на физические. При обращении к виртуальному адресу процессор вначале проверяет, не кэшировано ли это отображение в TLB. Если обращение в кэш было удачным, то сразу же возвращается физический адрес. В противном случае поиск физического адреса выполняется с помощью таблиц страниц.

Несмотря на это, управление таблицами страниц все же остается критичной и развивающейся частью ядра. Изменения в ядре 2.6 включают выделение частей таблиц страниц не в области верхней памяти. В будущем, вероятно, появится возможность совместного использования таблиц страниц с копированием при записи. В такой схеме таблицы страниц будут совместно использоваться родительским и порожденным процессами даже после выполнения вызова fork(). Если же родительский или порожденный процесс изменит некоторую запись таблицы страниц, то будет создана копия этой записи, и эти процессы больше не будут совместно использовать данную запись. Совместное использование таблиц страниц позволит устранить затраты, связанные с копированием таблиц страниц при вызове fork().