内核必须懂(七): Linux四级页表(x64)

目录

• 前言
• Intel四级页表
• 实操寻址
• 获取cr3
• 获取PGD
• 获取PUD
• 获取PMD
• 获取PTE
• 获取内容
• 最后

前言

Linux四级页表的作用主要就是地址映射, 将逻辑地址映射到物理地址. 很多时候, 有些地方想不明白就可以查看实际物理地址进行分析.

Intel 四级页表

其实很多设计的根源或者说原因都来自于CPU的设计, OS很多时候都是辅助CPU. Linux的四级页表就是依据CPU的四级页表来设计的. 这里主要说的就是Intel x64页面大小为4KB的情况, 如图所示:

当然, 你可以用指令确认下:

getconf PAGE_SIZE 

实操寻址

首先这里先贴出几个工具, fileview, dram, registers. 这些都是可以帮助快速获取地址的, 上一篇文章说的kgdb工具也是可以的, 就是麻烦一点, 你懂的. 具体内容就不贴了, 这里仅展示用户态的代码:

#include <stdio.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/stat.h>
#include <sys/types.h>

#define BUFSIZE 4096

int main()
{
    int         fd, ret;
    char            buf[BUFSIZE];
    unsigned long int   a = 0x1234567890abcdef;
    printf( "a=0x%016lX addr: %p \n", a, &a );

    if ( (fd = open( "/proc/registers", O_RDONLY ) ) < 0 )
    {
        fprintf( stderr, "Open /proc/registers file failed! \n" );
        exit( EXIT_FAILURE );
    }

    lseek( fd, 0L, SEEK_SET );

    if ( (ret = read( fd, buf, sizeof buf - 1 ) ) < 0 )
    {
        perror( "/proc/registers" );
        exit( EXIT_FAILURE );
    }

    buf[ret] = 0;
    close( fd );
    puts( buf );

    while ( 1 );
    return(0);
}

使用make指令编译工具, 插入dram.ko和registers.ko驱动模块. 编译运行用户态程序, 如图所示:

获取cr3

这之中最关键的是cr3地址以及局部变量地址, 这里看到, 变量地址是0x7ffdcbffaba8, 变量值是0x1234567890ABCDEF. cr3寄存器中地址是0x40c78000. 当然了, 按照CPU的图示, cr3肯定是指向PML4E. 在Linux当中, 第一级页表称为PGD, 当然是有历史原因的, 可以自行google. 所以Linux的四级页表分别是PGD -> PUD -> PMD -> PTE.

获取PGD

想要获取PGD中的内容需要通过计算. 这里先来处理一下局部变量地址. 首先写成二进制.

0x7ffdcbffaba8
0111 1111 1111 1101 1100 1011 1111 1111 1010 1011 1010 1000

然后按照Intel的设计, 重新整合.

011111111 111110111 001011111 111111010 101110101000

重新写成16进制:

ff 1f7 5f 1fa ba8

这就是只要用的offset. 因为每个单元是64-bits因此需要在序号基础上乘以8获得地址. 所以PGD地址为:

0x40c78000(cr3) + ff * 8 = 0x40c787f8

然后使用启动之前编译的小工具:

./fileview /dev/dram

输入之前计算出来的地址0x40c787f8, 就可以得到之中的内容, 也就是PUD, 从CPU图来说就是PDPTE:

获取PUD

这里获取到的是67 50 75 76 00 00 00 80, 但是注意, Intel是和显示顺序反过来的. 也就是76755067, 然后后面的12-bits是页面属性. 所以, 具体地址就是:

76755000 + 1f7 * 8 = 76755fb8

同样输入地址到工具, 得到67 80 E8 2C 00 00 00 00.

获取PMD

直接计算了:

2ce88000 + 5f * 8 = 2ce882f8

得到67 00 DD 48 00 00 00 00.

获取PTE

直接计算了:

48dd0000 + 1fa * 8 = 48dd0fd0

得到67 58 59 20 00 00 00 80.

获取内容

最后就可以获取到内容了:

20595000 + ba8 = 20595ba8

最后

当然了, 这次是在用户态下进行从线性地址到物理地址转换的, 如果是内核态有些地方会发生变化. 暂时写到这里, 内核态等后续的更新了. 喜欢记得点赞, 有意见或者建议评论区见~