Linux内核分页——线性地址结构

每个进程通过一个指针（即进程的mm_struct→pgd）指向其专属的页全局目录（PGD），该目录本身存储在一个物理页框中。这个页框包含一个类型为pgd_t的数组，该类型是与架构相关的数据结构，定义在<asm/page.h>头文件中。页表的加载方式因架构而异：在x86架构中，进程页表通过将mm_struct→pgd复制到cr3寄存器来加载，这一操作会附带刷新TLB（事实上，这正是架构相关代码中flush_tlb()函数的实现原理）。

PGD表中的每个有效表项指向一个物理页框，其中包含类型为pmd_t的页中间目录（PMD）条目数组。每个PMD条目进一步指向另一个页框，其中包含类型为pte_t的页表项（PTE），而这些PTE最终指向存储实际用户数据的物理页框。若页面已被换出到后备存储，交换条目将存储在PTE中，并由页错误处理例程do_swap_page()使用，以定位包含页面数据的交换条目。页表布局如图所示。

任意给定的线性地址可被分解为三部分：三个页表层级内的偏移量以及实际页面内的偏移量。为辅助地址分解，系统为每个页表层级提供了一组三元宏定义——SHIFT（XX_SHIFT表示XX段的bit位数）、SIZE（XX_SIZE表示XX段的大小，一般等于2^XX_SHIF）和MASK(XX_MASK表示从线性地址中获取XX段的掩码，XX段以外的bit位都是0)。其中，SHIFT宏定义了该层级页表映射的地址位长度

MASK宏可通过与线性地址进行按位与（AND）操作，屏蔽掉所有高位比特，常用于判断地址是否在页表某一层级对齐。SIZE宏则揭示了每个层级的表项所覆盖的字节范围。SIZE与MASK宏的关系如图3.3所示。在这组三元宏中，仅需定义SHIFT值，其余两者可通过计算得出。例如，x86架构的页面层级宏定义如下：

#define PAGE_SHIFT    12

#define PAGE_SIZE    (1UL << PAGE_SHIFT)

#define PAGE_MASK    (~(PAGE_SIZE-1))

其中：

• PAGE_SHIFT表示线性地址中页内偏移部分的比特长度（x86为12位）
• PAGE_SIZE通过2^PAGE_SHIFT计算得出（即页大小）
• PAGE_MASK通过对PAGE_SIZE-1取反得到，用于对齐页边界时清零偏移位。若需强制地址按页对齐，可使用PAGE_ALIGN()宏，其原理是先将地址加上PAGE_SIZE-1，再与PAGE_MASK按位与操作以消除页偏移比特。

类似地：

• PMD_SHIFT表示页中间目录（PMD）层级映射的地址比特数，其对应的PMD_SIZE与PMD_MASK通过相同方式计算。
• PGDIR_SHIFT表示页全局目录（PGD）顶层映射的地址比特数，PGDIR_SIZE和PGDIR_MASK遵循相同规则。

最后，关键的三个宏是PTRS_PER_*系列，它们定义了各层级页表的表项数量：

• PTRS_PER_PGD表示PGD中的指针数量（x86无PAE时为1,024）
• PTRS_PER_PMD对应PMD层（x86无PAE时为1）
• PTRS_PER_PTE对应底层PTE（x86无PAE时为1,024）

这些宏共同构建了Linux页表体系的核心寻址机制。