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
or
$ 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
1 #include <stdio.h> 2 3 void main() 4 { 5 char *str = "hello world"; 6 printf("%s @ %p ", str, str); 7 pause(); 8 }
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 |-->
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| | |---> 0x2 |00000000ba5a6067| |
| . |
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| | . |
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| | . -->0x650 |hello world.%s @ |
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PML PUD PMD PTE 4K的page