通过crash了解linux页表

目的：

通过一个c语言实例，了解linux页表的组织结果和mmu的工作原理。

通过页表找到一个物理地址，对比物理地址与虚拟地址的内容是否一致。

运行环境：

$ uname -r
3.15.6-200.fc20.x86_64

准备工作

1. 安装crash

$ sudo yum install crash

熟悉crash

help:

http://people.redhat.com/anderson/help.html

White Paper:

http://people.redhat.com/anderson/crash_whitepaper/

1. 安装debuginfo

$ sudo debuginfo-install kernel

$ sudo yum install kernel-debuginfo

2. 下载一个linux源代码

可选

$ git clone git://git.kernel.org/pub/scm/linux/kernel/git/torvalds/linux.git

3. 准备一个C语言代码

熟悉linux页表使用。
hello.c

 #include <stdio.h>

 void main()

 {

     char *str = "hello world";

     printf("%s @ %p\n", str, str);

     pause();

 }

编译：

$ gcc -o hello hello.c

基本概念：

内核空间：

32位系统， linux将最上的1G用于内核虚拟地址。空间 0xc0000000 - 0xffffffff
linux将物理内存完全一一映射到内核空间，这样很方便管理内存，任何页面的（0M-896M的线性区）虚拟地址减去一个0xc0000000的偏移就可以得到物理地址。

有关64位的内核线性地址起始位置：
arch/x86/include/asm/page_64_types.h:#define __PAGE_OFFSET
_AC(0xffff880000000000, UL)

分页原理：

虚拟地址转化为物理地址过程。

MMU干的事情，就是通过 PML + PUD + PMD + PTE 得出虚拟地址对应的真正的内存物理地址。

在64位系统，虚拟地址才用4级分页（9+9+9+12）。 PML， PUD， PMD， PTE不是1024个项（因为每项是64位）是512。

不清楚PML是什么缩写，按照《内核》这本书的说法，应该是PGD （page directory）。

PUD(page upper directory) PMD（page middle directory）
PTE（page table entry）

假如我们的线性地址（虚拟地址）为0x400650（例子中的地址确实是400650），得到物理地址的过程如下：

每级页表（目录）索引值:

PML中的目录项： (0x400650>>（9+ 9 + 9 + 12）) & 0x1ff = 0
PUD中的目录项： (0x400650>>（9 + 9 + 12）) & 0x1ff = 0
PMD中的目录项： (0x400650>>（9 + 12）) & 0x1ff = 0x2
PTE中的目表项： (0x400650>>（12）) & 0x1ff = 0

在页中的偏移量(4K的页)：

(0x400650>>（0）) & 0xfff = 0x650

图示转化过程：

cr3 包含页目录指针表，假设为0x5427a000，这是个物理地址。
每级页表包含下一级页表的信息。

下图，对于4K的页， PML的第0个目录项，0000000064e39067
为目录项中的内容，高（64-12）位（红色）是下一级页表的物理地址，低位 12位是各种标志位（PRESENT|RW|USER|ACCESSED|DIRTY
）。

实践：

1. 运行 hello

$ ./hello
hello world @ 0x400650

2. 启动 crash

crash> ps |grep hello
24458 24204   0 ffff8801573b09e0 IN   0.0    4152    632 hello
crash> set 24458
    PID: 24458
COMMAND: "hello"
   TASK: ffff8801573b09e0 [THREAD_INFO: ffff880090794000]
    CPU: 0
STATE: TASK_INTERRUPTIBLE
crash> px ((struct task_struct *)0xffff8801573b09e0)->mm->pgd
$1 = (pgd_t *) 0xffff88005427a000
crash> px (0xffff88005427a000 - 0xffff880000000000)
$2 = 0x5427a000                                           # 相当CR3中的内容， PML的首地址
crash> px $2 + 0x0                                        # PML的第0项
$3 = 0x5427a000
crash> rd -p 0x5427a000                             #
        5427a000: 0000000064e39067                    g..d....
crash> pte 0000000064e39067
PTE     PHYSICAL FLAGS
64e39067 64e39000 (PRESENT|RW|USER|ACCESSED|DIRTY)         # 64e39000 PUD的首地址
crash> px (0x400650>>30) & 0x1ff
$4 = 0x0

crash> px 0x64e39000 + 0x0                                                      # PUD 的第0项
$5 = 0x64e39000
crash> rd -p 0x64e39000
        64e39000: 000000000b052067                    g ......
crash> pte 000000000b052067
PTE    PHYSICAL FLAGS
b052067   b052000 (PRESENT|RW|USER|ACCESSED|DIRTY)       # b052000 PMD的首地址
crash> px (0x400650>>21) & 0x1ff
$6 = 0x2
crash> px 0xb052000 + 0x2 * 8                                                  # PMD 的第2项
$7 = 0xb052010
crash> rd -p 0xb052010
         b052010: 00000000ba5a6067                    g`Z.....
crash> pte 00000000ba5a6067
PTE     PHYSICAL FLAGS
ba5a6067 ba5a6000 (PRESENT|RW|USER|ACCESSED|DIRTY)    # ba5a6000 PTE的首地址
crash> px (0x400650>>12) & 0x1ff
$8 = 0x0
crash> px 0xba5a6000 + 0x0                                  # PTE 的第0项
$9 = 0xba5a6000
crash> rd -p 0xba5a6000
        ba5a6000: 000000001cdc5025                    %P......
crash> pte 000000001cdc5025
PTE     PHYSICAL FLAGS
1cdc5025 1cdc5000 (PRESENT|USER|ACCESSED)            # 进程，线性页对应的真正的物理页框地址
crash> px 0x400650 & 0xfff
$10 = 0x650
crash> px 0x1cdc5000 + 0x650                                            # “hello world.%s” 所在的物理地址。
$11 = 0x1cdc5650
crash> rd -p 0x1cdc5650 2
        1cdc5650: 6f77206f6c6c6568 4020732500646c72   hello world.%s @
crash> vtop 0x400650        # 以上步骤可以一步搞定。
VIRTUAL     PHYSICAL
400650      1cdc5650

PML: 5427a000 => 64e39067
   PUD: 64e39000 => b052067
   PMD: b052010 => ba5a6067
   PTE: ba5a6000 => 1cdc5025
PAGE: 1cdc5000

PTE PHYSICAL FLAGS
1cdc5025 1cdc5000 (PRESENT|USER|ACCESSED)

VMA START END FLAGS FILE
ffff8800541f2228 400000 401000 8000875 /home/shhfeng/work/workdir/ccode/hello

PAGE PHYSICAL MAPPING INDEX CNT FLAGS
ffffea0000737140 1cdc5000 ffff88003fc40200 0 2 3ffff800020068 uptodate,lru,active,mappedtodisk

图示：

0x5427a000                               0x0000000064e39000                       0x000000000b052000          0x00000000ba5a6000                      0x000000001cdc5000
   + 0                                             + 0
                                                    +0x2 * 8 (64位)
              + 0
+0x650

= 0x5427a000                              =0x64e39000                                   = 0xb052010                        = 0xba5a6000                                   = 0x1cdc5650





0 |0000000064e39067 | ---->   0 |000000000b052067
| --->            |                               |
----> 0 |000000001cdc5025 |-->
|                               |
    |                               |
|                               |     |             |
           |              |
|      |             |                               |
    |                             |
|                               |     |---> 0x2   |00000000ba5a6067|               |
           |      .             |
           |
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|                               |      . -->0x650 |hello world.%s @      |
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           |                      |
           |

PML
PUD
PMD
PTE                                                    4K的page