| Linux用户空间将虚拟地址转化为物理地址 | 您所在的位置：网站首页 › 地址转换算法 › Linux用户空间将虚拟地址转化为物理地址 |
Linux用户空间将虚拟地址转化为物理地址
|
目录 引言 地址绑定 MMU（内存管理单元） 基本硬件 进程如何从磁盘映射到内存 磁盘和内存的映射过程 MMU方案 开始编码 创建我们的缓冲区 /proc/[pid]/pagemap 写 /dev/mem 结论和完整代码清单 DPDK是如何操作的？ 推荐文章 引言 在理解“了解Linux内核”中有关内存管理的章节中，我认为尝试编写将虚拟内存地址转换为物理地址的程序会很有趣。而且，我想在用户空间上使用它。再进一步，为什么不尝试获取缓冲区的物理地址，转到内存中的该位置，对其进行修改，然后使用虚拟地址查看更改。 尝试在用户空间中完成此任务存在一些问题： 虚拟内存背后的想法是提供连续内存的地址空间。进程的内存很可能存储在不连续的块中。没有保证page在系统的物理内存中。它可以在交换区或缓存中。可能没有实际地址！出于安全原因，即使进程的UID为0，进程也无权访问系统的原始内存。我们可以采用两种方法来获取物理地址： 给内核添加一个系统调用，给定一个虚拟地址，它将返回物理地址。但是，修改内核违反了从用户空间执行所有操作的规则，因此我们必须将其排除在外。将page映射文件用于进程（内核2.6.25中已添加）以获取页面映射到的帧，然后使用该页面查找/dev/mem并修改那里的缓冲区。使用这种方法，完全有可能在用户空间中将虚拟地址转换为物理地址。但是，要验证我们的翻译是正确的，需要阅读/dev/mem。这确实需要对内核进行一次小的修改（更改配置选项），但稍后会进行更多修改。 内存由大量word或array组成，每个word或array都有与之关联的地址。现在，CPU的工作是从基于内存的程序计数器中获取指令。现在，这些指令可能会导致加载或存储到特定的存储器地址。地址绑定是从一个地址空间映射到另一地址空间的过程。逻辑地址是CPU在执行过程中生成的地址，而物理地址是指存储单元（已加载到内存中的单元）中的位置。请注意，用户仅处理逻辑地址（虚拟地址）。逻辑地址尤其由MMU或地址转换单元进行转换。该过程的输出是适当的物理地址或代码/数据在RAM中的位置。 地址绑定 地址绑定可以通过三种不同的方式完成： 编译时间–如果您知道在编译期间进程将驻留在内存中，则会生成绝对地址，即在编译过程中将物理地址嵌入到程序的可执行文件中。将可执行文件作为进程加载到内存中的速度非常快。但是，如果生成的地址空间被其他进程所占用，则程序将崩溃，并且有必要重新编译程序以更改地址空间。加载时间–如果在编译时不知道进程将驻留在哪里，则将生成可重定位的地址。加载程序将可重定位地址转换为绝对地址。加载程序将主存储器中进程的基地址添加到所有逻辑地址中，以生成绝对地址。在这种情况下，如果进程的基址发生更改，则我们需要再次重新加载进程。执行时间-指令在内存中，正在由CPU处理。此时可以分配和/或释放其他内存。如果可以在执行期间将进程从一个内存移动到另一个内存（动态链接-在加载或运行时完成链接），则使用此方法。例如–压实。MMU（内存管理单元） 虚拟地址和物理地址之间的运行时映射是通过称为MMU的硬件设备完成的。 在内存管理中，操作系统将处理进程并在磁盘和内存之间移动进程以执行。它跟踪可用和已使用的内存。 指令执行周期包括以下步骤： 从存储器中获取第一条指令，例如ADD A，B然后将这些指令解码，即A和B的加法然后在某个特定的存储位置进行进一步的加载或存储。 基本硬件由于主存储器和寄存器内置在处理器中，CPU只能访问它们，因此每条指令都应写入直接访问存储 设备中。 如果从寄存器访问CPU指令，则由于寄存器内置在CPU中，因此可以在一个CPU时钟周期内完成。如果指令驻留在主存储器中，那么它将通过存储器总线进行访问，这将花费大量时间。因此，对此的补救措施是在CPU和主内存之间添加快速内存，即为事务添加缓存。现在，我们应该确保流程位于法定地址内。合法地址由基址寄存器（拥有最小的物理地址）和限制寄存器（范围的大小）组成。例如： 基址寄存器= 300040 限制寄存器= 120900 那么合法地址=（300040 + 120900）= 420940（含）。 法定地址=基本寄存器+限制寄存器进程如何从磁盘映射到内存 通常，进程以二进制可执行文件的形式驻留在磁盘中。因此，执行过程应驻留在主存储器中。根据使用的内存管理，进程从磁盘移动到内存。进程以就绪队列的形式在磁盘中等待以获取内存。 磁盘和内存的映射过程 正常过程是从输入队列中选择进程并将其加载到内存中。进程执行时，它将访问内存中的数据和指令，一旦完成，它将释放内存，现在内存可用于其他进程。 MMU方案 CPU ------- MMU ------内存
图来源：https://users.dimi.uniud.it/~antonio.dangelo/OpSys/materials/Operating_System_Concepts.pdf 本文由Vaishali Bhatia贡献。如果您喜欢GeeksforGeeks并且愿意做出贡献，那么您也可以使用contribution.geeksforgeeks.org撰写文章或将您的文章邮寄至[email protected]。查看您的文章出现在GeeksforGeeks主页上，并帮助其他Geeks。 开始编码 创建我们的缓冲区 除了通常的malloc()调用之外，创建缓冲区以查找地址的过程还需要另外一步。内核不保证虚拟地址空间中的地址实际映射到内存中的物理地址。它可以存储在交换空间中，某个地方或整个地方的缓存中。为了避免这种可能性，我们可以mlock()用来强制将页面保留在系统的物理内存中。幸运的是，这很简单。只需将mlock()指针传递到缓冲区和缓冲区的大小，它将处理其余的内容。看起来像这样： void* create_buffer(void) { size_t buf_size = strlen(ORIG_BUFFER) + 1; // Allocate some memory to manipulate void *buffer = malloc(buf_size); if(buffer == NULL) { fprintf(stderr, "Failed to allocate memory for buffer\n"); exit(1); } // Lock the page in memory // Do this before writing data to the buffer so that any copy-on-write // mechanisms will give us our own page locked in memory if(mlock(buffer, buf_size) == -1) { fprintf(stderr, "Failed to lock page in memory: %s\n", strerror(errno)); exit(1); } // Add some data to the memory strncpy(buffer, ORIG_BUFFER, strlen(ORIG_BUFFER)); return buffer; }请注意，锁定后我将数据复制到缓冲区中。这是因为如果缓冲区所在的页面与父进程共享，则OS可能会采用写时复制分页机制。为了强制操作系统提供我们自己的页面，我们将数据锁定后写入缓冲区。 /proc/[pid]/pagemap 页面映射为用户提供了访问空间，以访问内核如何管理进程页面。这是一个二进制文件，因此从中提取信息有些棘手。 从文档1中可以看到，每页有64位信息。我们对页帧号0-54位感兴趣。 我们如何从页面地图中获取给定页面的页面框架号？首先，我们需要确定要映射到页面地图中的偏移量。可以这样进行： #define PAGEMAP_LENGTH 8 offset = (unsigned long)addr / getpagesize() * PAGEMAP_LENGTH给定一个地址，我们将其除以页面大小，然后乘以8。为什么是8？每页有64位或8字节的信息。 然后，我们在文件中寻找该位置并读取前7个字节。为什么是7？我们对咬伤0-54感兴趣。总共有55位。因此，我们读取了前7个字节（56位）并清除了位55。位55是我们不关心的软脏标志。 unsigned long get_page_frame_number_of_address(void *addr) { // Open the pagemap file for the current process FILE *pagemap = fopen("/proc/self/pagemap", "rb"); // Seek to the page that the buffer is on unsigned long offset = (unsigned long)addr / getpagesize() * PAGEMAP_LENGTH; if(fseek(pagemap, (unsigned long)offset, SEEK_SET) != 0) { fprintf(stderr, "Failed to seek pagemap to proper location\n"); exit(1); } // The page frame number is in bits 0-54 so read the first 7 bytes and clear the 55th bit unsigned long page_frame_number = 0; fread(&page_frame_number, 1, PAGEMAP_LENGTH-1, pagemap); page_frame_number &= 0x7FFFFFFFFFFFFF; fclose(pagemap); return page_frame_number; }现在我们有了页面帧号，我们可以轻松计算出缓冲区的物理地址，例如2： physcial_addr = (page_frame_number |
【本文地址】