Linux における仮想アドレスと物理アドレス: 概念、変換、および応用

Linux システムでは、メモリ管理はプログラムの動作、パフォーマンス、セキュリティなどの側面に関わる非常に重要なトピックです。メモリ管理における中心的な概念は、仮想アドレスと物理アドレスであり、それぞれプログラムの論理ビューとメモリの実際のレイアウトを表します。仮想アドレスと物理アドレス間の変換はメモリ管理の重要なプロセスであり、これによりプログラムはメモリ リソースを有効に活用し、メモリ アクセスの効率と保護を向上させることができます。しかし、仮想アドレスと物理アドレスについて本当に理解していますか?その定義や特徴、違いをご存知ですか？ Linux で仮想アドレスと物理アドレスを変換する方法をご存知ですか?この記事では、Linux での仮想アドレスと物理アドレスに関する関連知識を詳しく紹介し、Linux でこれら 2 つのメモリ アドレスをよりよく使用し、理解できるようにします。

アプリケーションは仮想アドレスしか提供できません。次の方法で物理アドレスを取得することもできます。もちろん、ドライバーを呼び出す必要があります。

Linux では、ページ テーブルの概念を使用して仮想空間を管理します。カーネルが仮想アドレスを処理するときは、プロセッサがアクセスできるようにする前に、仮想アドレスを物理アドレスに変換する必要があります。仮想アドレスは、Linux のページ テーブル操作マクロを使用して、物理アドレスを見つけるためにレイヤーごとに見つけることができます。簡単に言えば、仮想アドレスをセグメント化する必要があります。アドレスの各セグメントは、ページ テーブルを指すインデックスとして機能し、最終レベルのページ テーブルは物理アドレスを指します。
さまざまなプロセッサと互換性を持たせるために、2.6.11 以降の Linux バージョンでは 4 レベルのページ テーブル構造が採用されています。  PGD: ページ グローバル ディレクトリ、ページ グローバル ディレクトリは、トップレベルのページ テーブルです。
 PUD: ページの上位ディレクトリであるページ アッパー ディレクトリは、第 2 レベルのページ テーブルです。  PMD: ページ中間ディレクトリ、ページ中間ディレクトリは、第 3 レベルのページ テーブルです。
 PTE: ページ テーブル エントリ、ページ テーブル、最終レベルのページ テーブル、物理ページを指します。
物理ページは、図 4-8 に示すように、データ構造 mm_struct を通じて PGD にアクセスすることで見つけることができます。ページ テーブルに従って物理アドレスを見つけるプロセスを 4-9 に示します。

Linux で使用される図 4 レベルのページ

簡略化された変換コードは次のとおりです:

リーリー

pgd_offset(mm, addr) は、メモリ記述子アドレス mm とリニア アドレス addr をパラメータとして受け取ります。このマクロは、アドレス addr;

のページ グローバル ディレクトリ内の対応するエントリのリニア アドレスを生成します。 このページのグローバル ディレクトリは、メモリ記述子 mm 内のポインタを通じて見つけることができます。

pud_offset(pgd, addr) パラメータは、ページのグローバル ディレクトリ エントリを指すポインタ pgd とリニア アドレス addr です。このマクロは、ページの上のディレクトリ内のディレクトリ エントリ addr に対応するリニア アドレスを生成します。 2 レベルまたは 3 レベルのページング システムでは、このマクロは、ページ グローバル ディレクトリ エントリのアドレスである pgd を生成します。

pmd_offset(pud, addr) は、ページの上位ディレクトリ エントリを指すポインタ pud とリニア アドレス addr をパラメータとして受け取ります。このマクロは、ページの中間ディレクトリ内のディレクトリ エントリ addr のオフセット アドレスを生成します。 2 レベルまたは 3 レベルのページング システムでは、ページのグローバル ディレクトリ エントリのアドレスである pud が生成されます。

pte_offset_kernel(dir, addr) リニア アドレス addr にはページ中間ディレクトリ dir に対応する項目があり、このマクロはこの対応する項目 (ページ テーブルのリニア アドレス) を生成します。さらに、このマクロはメイン カーネル ページ テーブルでのみ使用されます。

この記事を通じて、Linux における仮想アドレスと物理アドレスを深く理解し、それらの定義、特性、相違点を理解する必要があります。また、仮想アドレスと物理アドレス間の変換の原理、方法、機能、および Linux で仮想アドレスと物理アドレスを正しく変換する方法についても理解する必要があります。 Linux システムを使用する場合、プログラムの移植性とセキュリティを向上させるために、仮想アドレスを使用してプログラムを作成および実行することをお勧めします。同時に、メモリの断片化、メモリ リーク、メモリ マッピングなど、Linux システムの使用時に発生する可能性のある問題や課題にも注意を払うように注意してください。この記事が、Linux システムをより効果的に使用するのに役立ち、Linux での仮想アドレスと物理アドレスの利点と利便性を享受できることを願っています。

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