Linux 操作系統是類 UNIX 系統中的一員，并且在操作系統發展過程中起著重要的作用。Linux 之所以能夠發展得如此迅速，最主要的原因是其具有開源的特點，任何人都可以獲得源代碼并進行研究。本書主要對 Linux 內核進行深度的剖析，并詳細討論內核的主要功能及其內部結構，同時給出了內核的實現。本章將簡要介紹內核所涉及的基本知識，此外，對內核所涉及的各領域進行簡單的闡述。 1.1 Linux 的內存管理機制操作系統的內存管理分為頁式管理和段式管理兩種管理機制，對于段式內存管理機制，是將指令中結合段寄存器使用的 32 位邏輯地址映射為 32 位的物理地址。隨著操作系統的發展，提出了保護模式和虛擬內存管理的概念，Intel 在分段機制的基礎上實現了包含模式和虛擬內存管理，后來出現了分頁機制并逐漸成為內存管理機制的主流。Intel 出于兼容性的考慮，保留了段式內存管理機制，段寄存器用做選擇子，段基地址及其他的某些屬性存放在內存中，稱為段描述符表。段式內存管理機制的靈活性和效率都比較差，這樣就需要采用頁式管理機制。頁式管理就是通過分頁單元將線性地址轉換為物理地址，其中一個重要的任務就是把請求的訪問類型與線性地址的訪問權限進行對比，如果該內存訪問無效，則產生一個缺頁的異常。內核把線性地址分為 4KB 大小的頁面，其中的每個頁面都可以映射到物理地址空間的任意 4KB 大小的地址。在該映射過程中，連續的線性地址映射到物理地址空間中不一定是連續的，分頁單元把所有的 RAM 分成固定長度的物理頁，每一個物理頁（Page Frame）包含一個頁。把線性地址映射到物理地址的數據結構稱為頁表，該頁表存放在主存中，并在啟用分頁單元之前由內核對頁表進行初始化。由于引入了頁式管理，因此 32 位的線性地址分為 3 個區域，分別為 Directory（目錄）、Table（頁表）及 Offset（偏移）。目錄是線性地址的最高 10 位，用做頁面表目錄的下標，指向一個頁面表；頁表是線性地址的中間 10 位，用做具體頁面表中的下標，指向具體的物理頁面；偏移則是線性地址的最低 12 位，用于指向具體物理頁面內的偏移量。對于每一個活動進程都有一個分配的頁目錄，正在使用的頁目錄的物理地址存放在 cr3 控制寄存器中。線性地址的 Directory 字段決定了頁目錄中的目錄項，目錄項指向某個頁表，線性地址的 Table 字段則決定了頁表中的頁表項，Offset 字段決定頁框內的偏移量，由于該字段包含了 12 位，因此每頁包含了 4 096 字節的數據。頁式映射的示意圖如圖 1-1 所示。