x86-64 用户模式访问高半地址

Question

我一直在研究分页和访问控制如何在 x86-64 上工作，并且试图了解用于页面条目的 USER 标志与用户模式进程的内存访问之间的交互。

据我所知，在页表条目中设置 USER 标志允许从用户模式（环 3）访问页面。然而，我的问题是：

如果地址空间上半部分（通常由内核使用）中的页面与 PML4、PML3、PML2 和 PT 条目中设置的 USER 标志进行映射，这是否意味着用户模式进程可以访问该地址，或者在 CPU 级别是否有额外的强制措施（例如，规范地址限制）来阻止用户模式代码访问该区域，即使它被标记为 USER？

Answer 1

用户空间可以访问设置了 USER 位的高半页。
这在实践中通常在 32 位内核中完成，例如 Linux 的常见配置是 3:1 用户：内核分割，以允许单个用户空间进程拥有高达 3 GiB 的虚拟地址空间。

高半内核只是一种软件约定，并未纳入 ISA。

x86-64 Linux 将

[vsyscall]

页映射到所有用户空间进程的相同高地址；此机制已被 vDSO 废弃，vDSO 在下半部分顶部附近使用随机地址的页面（0x00007ff ...），允许它们纯粹在用户空间中运行

clock_gettime

和

getpid

，而无需缓慢的

syscall

指令进入内核。 在我的桌面上，

cat /proc/self/maps

在 7ffc149f4000 处显示靠近下半部分顶部的

[vdso]

页面，但在

[vsyscall]

处显示

ffffffffff600000-ffffffffff601000

。 （vdso 和 vsyscall 是什么？）。 显然，

[vsyscall]

页面仍然可以向后兼容，因此我们有一个在 x86-64 上的高半地址运行代码的用户空间的真实示例。

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我知道 x86-64 假设 MSB-set = kernel 的一个情况是在 Intel 的 LAM（线性地址屏蔽）中，这是一项可选功能，可以通过使硬件忽略一些高位来加速标记指针。 它可用于用户空间地址、内核地址或两者，您可以选择 48 位或 57 位地址。 最高位必须与位 #47 或位 #56 匹配，留下 6 或 15 位供其他用途。 （使用 64 位指针中额外的 16 位 / https://lwn.net/Articles/902094/）。

AMD 的 UAI（高位地址忽略）忽略前 7 位；我还没有深入研究过它，所以不知道它是否在硬件中基于符号扩展低 57 位来区分内核与用户。

ARM TBI（顶部字节忽略）也类似，但如果它根据高位对地址进行用户与内核分类，则再次 IDK。 （或者不被忽略的最高位。）