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什么是 GDT？

GDT 是一个包含段描述符（Segment Descriptor）的数组，每个描述符定义了一个内存段的基地址、大小和权限。GDT 的作用是帮助 CPU 在保护模式下进行内存分段管理。
GDT（Global Descriptor Table，全局描述符表）与内存分为用户态和内核态之间有密切的关系，特别是在 x86 架构的计算机系统中。GDT 用于定义内存段的特性，这些段可以描述代码段、数据段、堆栈段等，并且可以为这些段设置不同的权限和特权级别。

段描述符

每个段描述符通常是 8 字节（64 位）的结构，包含以下信息：

• 基地址（Base Address）：段的起始地址。
• 段限长（Limit）：段的大小。
• 权限（Access Rights）：段的访问权限和类型信息。
• 标志（Flags）：其他控制标志，如粒度（Granularity）和是否为 64 位代码段等。

常见的段类型

GDT 中的段描述符可以用来定义各种类型的段，包括：

• 代码段：包含可执行代码。
• 数据段：包含可读写数据。
• 系统段：用于特殊用途，如任务状态段（Task State Segment, TSS）。

GDT 在 Linux 中的使用

在 Linux 内核初始化时，会设置一个 GDT 并加载到 CPU 中。虽然现代 Linux 系统主要依赖分页机制进行内存管理，但 GDT 仍用于以下目的：

• 切换到保护模式：在启动过程中，Linux 内核会将 CPU 从实模式切换到保护模式，这是操作系统运行的基本要求。保护模式需要使用 GDT。
• 定义内核和用户空间段：GDT 定义了内核态和用户态的代码段和数据段。这些描述符用于设置 CPU 的段寄存器（如 cs、ds、es、fs、gs 和 ss），从而实现特权级别控制。
• 任务状态段（TSS）：用于硬件任务切换和处理特权级别变化（如从用户态切换到内核态时）。

GDT 与用户态和内核态的关系

内存段和特权级别

GDT 中的每个段描述符可以定义一个段的基地址、大小以及访问权限等信息。每个段还可以设置特权级别（Privilege Level），通常有四个特权级别（0 到 3），其中：

• Ring 0: 内核态（最高权限）。
• Ring 3: 用户态（最低权限）。

操作系统通过使用 GDT 来管理这些段，并且设置合适的特权级别，以确保用户态代码不能直接访问内核态代码和数据。这种机制被称为分段保护（Segmentation Protection）。

代码段和数据段

通常，GDT 会包含多个段描述符，包括但不限于：

• 内核代码段（Kernel Code Segment）：运行在 Ring 0，只有内核态代码能执行。
• 内核数据段（Kernel Data Segment）：运行在 Ring 0，只有内核态代码能访问。
• 用户代码段（User Code Segment）：运行在 Ring 3，用户态程序执行的代码段。
• 用户数据段（User Data Segment）：运行在 Ring 3，用户态程序访问的数据段。

GDT 的作用

• 内存保护：

  • 通过 GDT 中的段描述符和特权级别，操作系统可以确保用户态程序（Ring 3）不能访问或执行内核态（Ring 0）的代码和数据。这是实现用户态与内核态隔离的基础。

• 段选择器：

  • 用户态和内核态的程序通过段选择器（Segment Selector）来访问 GDT 中的段描述符。段选择器位于段寄存器（如 CS、DS、SS 等）中。
  • 特权级别通过段选择器的 RPL（Requested Privilege Level）字段和段描述符中的 DPL（Descriptor Privilege Level）字段共同决定。

• 上下文切换和系统调用：

  • 当用户态程序通过系统调用进入内核态时，CPU 会切换到相应的内核代码段和数据段。这通常是通过软件中断（如 int 0x80）或 syscall 指令实现的。
  • 系统调用处理完毕后，CPU 会切换回用户态，恢复用户代码段和数据段。