Linux内核页表全解析：从pgd到pte的四级地址转换
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你是否在调试内核时被pgd_t、pud_t等页表类型搞得晕头转向？本文将用图解和通俗语言带你轻松理解Linux内核的四级页表结构，掌握地址转换的核心逻辑。读完你将能够：区分四种页表类型的层级关系、看懂页表项定义代码、理解虚拟地址到物理地址的转换流程。
页表（Page Table）基础概念
页表是Linux内核实现虚拟内存管理的核心数据结构，用于将程序使用的虚拟地址（Virtual Address）转换为物理内存中的实际地址（Physical Address）。现代CPU通常采用多级页表设计，Linux内核从2.6版本开始支持四级页表结构，分别对应四种页表类型：pgd_t（页全局目录）、pud_t（页上级目录）、pmd_t（页中间目录）和pte_t（页表项）。这种分层设计既能减少内存占用，又能提高地址转换效率。
页表类型的定义主要位于内核头文件include/linux/pgtable.h中，该文件包含了页表操作的核心数据结构和函数声明。
四级页表结构全景图
Linux内核的四级页表采用层层索引的方式工作，就像使用邮政编码查找地址一样：先找省（pgd）、再找市（pud）、接着找区（pmd）、最后找到具体街道（pte）。以下是64位系统中典型的页表层级划分：
四种页表类型详解
pgd_t：页全局目录（Page Global Directory）
pgd_t是四级页表的顶层结构，每个进程拥有一个独立的pgd表。在64位系统中，pgd表通常包含512个表项（由PTRS_PER_PGD宏定义），每个表项指向一个pud_t结构。
关键代码定义：
// 简化自[include/linux/pgtable.h](https://link.gitcode.com/i/a0947a07dbf7950ab4d01e26e783a4b1)第89-91行
#define pgd_index(a) (((a) >> PGDIR_SHIFT) & (PTRS_PER_PGD - 1))
#define pgd_offset(mm, address) pgd_offset_pgd((mm)->pgd, (address))
pud_t：页上级目录（Page Upper Directory）
pud_t是页表结构的第二层，在大多数系统中（如x86_64），pud表同样包含512个表项（PTRS_PER_PUD），每个表项指向一个pmd_t结构。在32位系统或某些嵌入式平台中，pud层可能被折叠（Folded），此时pud_t与pgd_t等价。
关键代码定义：
// 简化自[include/linux/pgtable.h](https://link.gitcode.com/i/a0947a07dbf7950ab4d01e26e783a4b1)第80-86行
static inline unsigned long pud_index(unsigned long address)
{
return (address >> PUD_SHIFT) & (PTRS_PER_PUD - 1);
}
#define pud_offset(p4d, address) p4d_pgtable(*(p4d)) + pud_index((address))
pmd_t：页中间目录（Page Middle Directory）
pmd_t是页表结构的第三层，作用与pud_t类似，用于进一步细化地址索引。pmd表同样包含512个表项（PTRS_PER_PMD），每个表项指向一个pte_t结构。在支持大页（Huge Page）的系统中，pmd表项可以直接指向一个2MB或1GB的物理页面，从而跳过pte层加速地址转换。
关键代码定义：
// 简化自[include/linux/pgtable.h](https://link.gitcode.com/i/a0947a07dbf7950ab4d01e26e783a4b1)第72-78行
static inline unsigned long pmd_index(unsigned long address)
{
return (address >> PMD_SHIFT) & (PTRS_PER_PMD - 1);
}
#define pmd_offset(pud, address) pud_pgtable(*(pud)) + pmd_index((address))
pte_t：页表项（Page Table Entry）
pte_t是四级页表的最底层，直接指向物理内存页面。pte表包含512个表项（PTRS_PER_PTE），每个表项记录了物理页框号（PFN）以及页面属性（如读写权限、缓存策略等）。当CPU访问虚拟地址时，最终会通过pte_t找到对应的物理页面。
关键代码定义：
// 简化自[include/linux/pgtable.h](https://link.gitcode.com/i/a0947a07dbf7950ab4d01e26e783a4b1)第67-70行
static inline unsigned long pte_index(unsigned long address)
{
return (address >> PAGE_SHIFT) & (PTRS_PER_PTE - 1);
}
#define pte_offset_kernel(pmd, address) (pte_t *)pmd_page_vaddr(*pmd) + pte_index(address)
四种页表类型对比表格
| 页表类型 | 全称 | 索引位数 | 表项数量 | 典型大小 | 作用 | 定义位置 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| pgd_t | Page Global Directory | 9位 | 512 | 4KB | 指向pud_t表 | include/linux/pgtable.h |
| pud_t | Page Upper Directory | 9位 | 512 | 4KB | 指向pmd_t表 | include/linux/pgtable.h |
| pmd_t | Page Middle Directory | 9位 | 512 | 4KB | 指向pte_t表或大页 | include/linux/pgtable.h |
| pte_t | Page Table Entry | 9位 | 512 | 4KB | 指向物理页或页框 | include/linux/pgtable.h |
地址转换实例分析
以64位系统中的虚拟地址0xffff888000000000为例，地址转换过程如下：
- 提取pgd索引：右移
PGDIR_SHIFT（通常为39位）得到高9位索引值，从进程的pgd表中找到对应的pgd_t表项。 - 提取pud索引：右移
PUD_SHIFT（通常为30位）得到中间9位索引值，从pgd_t指向的pud表中找到pud_t表项。 - 提取pmd索引：右移
PMD_SHIFT（通常为21位）得到下9位索引值，从pud_t指向的pmd表中找到pmd_t表项。 - 提取pte索引：右移
PAGE_SHIFT（通常为12位）得到低9位索引值，从pmd_t指向的pte表中找到pte_t表项。 - 计算物理地址：pte_t表项中的高44位为物理页框号（PFN），左移12位（
PAGE_SHIFT）加上虚拟地址的低12位偏移量，得到最终物理地址。
关键转换函数调用链：
// 简化自[include/linux/pgtable.h](https://link.gitcode.com/i/a0947a07dbf7950ab4d01e26e783a4b1)第168-170行
pgd_t *pgd = pgd_offset(mm, address); // 获取pgd表项
pud_t *pud = pud_offset(pgd, address); // 获取pud表项
pmd_t *pmd = pmd_offset(pud, address); // 获取pmd表项
pte_t *pte = pte_offset_kernel(pmd, address); // 获取pte表项
实际应用与注意事项
在编写内核模块或调试内核问题时，理解页表结构非常重要。以下是一些常见应用场景：
- 内存泄漏调试：通过遍历进程的pgd->pud->pmd->pte链，统计物理页面使用情况，定位内存泄漏点。
- 性能优化：合理配置大页（通过pmd_t直接映射2MB/1GB页面）可以减少TLB缓存未命中，提升内存访问性能。
- 地址空间隔离：不同进程拥有独立的pgd表，确保进程间地址空间隔离，提高系统安全性。
需要注意的是，页表操作必须在关中断或持有页表锁的情况下进行，防止CPU在地址转换过程中修改页表导致不一致。相关锁机制可参考内核源码mm/page_alloc.c中的实现。
总结与进阶学习
Linux内核的四级页表结构是现代操作系统内存管理的经典设计，通过pgd_t、pud_t、pmd_t和pte_t的分层索引，实现了高效的虚拟地址到物理地址的转换。核心要点：
- 层级关系：pgd（顶层）→ pud → pmd → pte（底层）
- 表项作用：每级表项都包含下一级表的物理地址和属性标志
- 地址拆分：64位地址通常按9+9+9+9+12位拆分（4级索引+页内偏移）
想要深入学习页表实现，可以参考：
- 官方文档：Documentation/vm/pgtable.rst（假设存在该文件）
- 内核源码：mm/memory.c中的
__get_user_pages函数实现 - 架构相关代码：arch/x86/include/asm/pgtable_64.h（以x86_64为例）
希望本文能帮助你打通Linux页表的任督二脉！如果觉得有用，请点赞收藏，下期我们将讲解页表操作的核心API函数。
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