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Linux x86_64架构下的四级分页机制详解

backend 2025/6/19 14:56:35

一、x86_64分页概述

二、四级分页结构

三、地址转换过程

四、各级页表详解

1. PGD (Page Global Directory)

2. PUD (Page Upper Directory)

3. PMD (Page Middle Directory)

4. PT (Page Table)

五、页表条目结构

六、大页面支持

七、实际寻址示例

八、Linux内核中的实现

九、性能优化

一、x86_64分页概述

在x86_64架构下，Linux使用四级分页机制来管理虚拟内存到物理内存的映射。这种分级结构允许操作系统高效地管理巨大的地址空间（理论上256TB），同时保持内存使用的灵活性。

二、四级分页结构

x86_64架构下的四级分页包括以下层级：

PGD (Page Global Directory) - 页全局目录
PUD (Page Upper Directory) - 页上层目录
PMD (Page Middle Directory) - 页中间目录
PT (Page Table) - 页表

三、地址转换过程

一个64位的虚拟地址在分页过程中被划分为多个部分：

63        48 47    39 38    30 29    21 20    12 11       0
+-----------+--------+--------+--------+--------+-----------+
| 符号扩展位 | PGD索引 | PUD索引 | PMD索引 | PT索引 | 页内偏移 |
+-----------+--------+--------+--------+--------+-----------+

CR3寄存器：存储当前进程的PGD物理地址
地址转换步骤：

从CR3获取PGD基址
用PGD索引找到PUD条目
用PUD索引找到PMD条目
用PMD索引找到PT条目
用PT索引找到最终的物理页框
结合页内偏移得到最终物理地址

四、各级页表详解

1. PGD (Page Global Directory)

每个进程有独立的PGD
存储在mm_struct->pgd中
上下文切换时会将其物理地址加载到CR3寄存器
通常占用9位索引（512个条目）

2. PUD (Page Upper Directory)

在x86_64中，PUD通常只使用一个条目
主要用于兼容性，为未来扩展预留
同样占用9位索引

3. PMD (Page Middle Directory)

中间级别的页目录
可以指向页表或更大的页面（如2MB大页）
占用9位索引

4. PT (Page Table)

最终级别的页表
直接指向物理页框
占用9位索引（512个条目）
每个条目映射一个4KB页面

五、页表条目结构

每个页表条目(PTE)是64位(8字节)，包含以下重要字段：

63      62      61      52 51      32 31      12 11     9 8 7 6 5 4 3 2 1 0
+-------+-------+--------+-----------+-----------+-------++-+-+-+-+-+-+-+-+
| NX    |       |        | 保留(软件) | 物理页基址 | Avail |D|A| | | |U|W|P|
+-------+-------+--------+-----------+-----------+-------++-+-+-+-+-+-+-+-+

关键标志位：

P (Present)：页面是否在物理内存中
RW (Read/Write)：可写权限
US (User/Supervisor)：用户空间是否可访问
PWT/PCD：缓存控制
A (Accessed)：页面是否被访问过
D (Dirty)：页面是否被修改过
NX (No Execute)：禁止执行位（安全特性）

六、大页面支持

x86_64支持多种页面大小：

4KB：标准页面，使用全部四级页表
2MB：大页面，绕过PT级别，直接在PMD中映射
1GB：巨大页面，绕过PMD和PT级别，直接在PUD中映射

大页面减少了TLB缺失，提高了内存访问性能。

七、实际寻址示例

假设48位虚拟地址0xFFFF800012345678的转换过程：

1. 符号扩展为64位：0xFFFFFFFF800012345678

2. 分解各部分：

PGD索引：0x100 (第257项)
PUD索引：0x000
PMD索引：0x001
PT索引：0x234
偏移：0x5678

3. 依次查询各级页表最终得到物理页框基址，加上偏移得到物理地址

八、Linux内核中的实现

关键数据结构：

// 页表条目
typedef struct { unsigned long pte; } pte_t;
// PMD条目
typedef struct { unsigned long pmd; } pmd_t;
// PUD条目
typedef struct { unsigned long pud; } pud_t;
// PGD条目
typedef struct { unsigned long pgd; } pgd_t;

关键宏和函数：