Linux多级页表机制

文献:http://www.verydemo.com/demo_c167_i219134.html

      Linux采用了一种同时适用于32bit和64bit系统的分页模型。32bit系统一般采用两级页表就足够了,但64bit系统需要更多的分页。Linux 2.6.10版本采用三级分页,从2.6.11版本开始采用了四级分页。

    

    图中展示的4 种页表分别被称作:
    • 页全局目录(Page Global Directory)
    • 页上级目录(Page Upper Directory)
    • 页中间目录(Page Middle Directory)
    • 页表(Page Table)
    页全局目录包含若干页上级目录的地址,页上级目录又依次包含若干页中间目录的地址,而页中间目录又包含若干页表的地址。每一个页表项指向一个页面。线性地址因此被分成五个部分。图中没有显示位数,因为每一部分的大小与具体的计算机体系结构有关。

编号

处理器

页大小

寻址使用的位数

分页级别

虚拟地址分级

1

x86

4KB

32

2

10+10+12

2

x86(extended)

4MB

32

1

10&…………………………………………………………………………

### 三级标题:多级页表设计的背景与必要性 在操作系统中,虚拟内存的实现依赖于页表机制,用于将虚拟地址映射到物理地址。随着虚拟地址空间的扩大,单级页表的设计会导致页表占用大量内存,尤其在 64 位系统中,这一问题尤为突出。为了解决这一问题,操作系统引入了多级页表结构,通过分级管理页表项,显著减少了内存占用[^1]。 ### 三级标题:多级页表如何节省内存空间 多级页表的核心优势在于其按需分配的特性。在单级页表中,每个虚拟地址空间的页表项都必须存在,即使某些地址范围未被使用,这导致大量内存被浪费。而在多级页表中,只有实际使用的地址范围才会分配对应的页表项。例如,一级页表中的某个页表项如果未被使用,则对应的二级页表甚至不需要存在,从而节省内存[^3]。 ### 三级标题:多级页表对地址映射的优化 多级页表虽然增加了地址转换的复杂度,需要多次访问内存,但这种结构允许操作系统更高效地管理内存资源。例如,在进程切换时,仅需切换页表基地址,而不需要重新构建整个页表结构。此外,现代处理器通过 TLB(Translation Lookaside Buffer)缓存频繁访问的页表项,进一步减少了多级页表带来的性能开销[^2]。 ### 三级标题:Linux 内核中的多级页表实现 Linux 内核在 64 位架构下采用四级页表结构(PGD、PUD、PMD、PTE),以支持更大的地址空间。其中,PGD(Page Global Directory)是最高级页表,用于索引下一级页表(PUD)。PUD 再索引 PMD(Page Middle Directory),最终通过 PTE(Page Table Entry)完成虚拟地址到物理地址的映射。这种结构不仅支持大内存系统,还保持了良好的内存利用率和灵活性。 ### 三级标题:多级页表的典型应用场景 - **进程隔离**:每个进程拥有独立的页表结构,确保地址空间隔离。 - **动态内存分配**:按需分配页表项,避免内存浪费。 - **共享内存**:多个进程可以通过共享页表项访问同一物理内存区域。 - **内存保护**:通过页表项的访问权限位实现读写保护和执行控制。 ### 三级标题:示例代码:Linux 中的页表项操作 ```c #include <linux/mm.h> #include <linux/highmem.h> void map_page(pgd_t *pgd, unsigned long vaddr, phys_addr_t paddr, pgprot_t prot) { pud_t *pud; pmd_t *pmd; pte_t *pte; pud = pud_offset(pgd, vaddr); if (pud_none(*pud)) { pud_populate(current->mm, pud, (pmd_t *)get_zeroed_page(GFP_KERNEL)); } pmd = pmd_offset(pud, vaddr); if (pmd_none(*pmd)) { pmd_populate(current->mm, pmd, (pte_t *)get_zeroed_page(GFP_KERNEL)); } pte = pte_offset_kernel(pmd, vaddr); set_pte(pte, pfn_pte(PFN_DOWN(paddr), prot)); } ``` 该代码演示了如何在 Linux 内核中动态分配并设置多级页表项,实现虚拟地址到物理地址的映射。
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