Linux 页表初探

Answer 1

在虚拟内存中，页表是一个映射表概念，用于从进程理解的线性地址映射到存储器上的物理地址。当进程在 CPU 上运行时，CPU 并不是直接访问物理内存地址，而是通过虚拟地址空间间接访问物理内存。CPU 使用的地址都是虚拟地址，而数据存放在物理内存中，此时需要将虚拟地址转换为实际的物理地址，然后根据物理地址从物理内存中获取数据。

操作系统中的虚拟地址转换通过主存管理单元（MMU）硬件提供，MMU 通过页表进行查找以转换成物理地址。本文将对32位逻辑地址空间的二级页表进行分析。

二级页表通过将32位虚拟地址空间分为3个部分来实现。页目录表占用一个标志的4k页，每个页目录项占用4个字节，共有1024个表目录项（PDE）。页目录表中的每个页目录项记录一个页表的物理页地址。每个页表中有1024个页表项（PTE），每个页表项也包含一个物理页地址。12位的偏移量用于寻址该物理页中的具体存储单元。

页表项保存的是一个物理页框的物理地址，物理地址的低12位总是0，因此表项的低12位可挪作他用。存在位（P）确定页表项是否可用，P=1表示可用。当目录表项或第二级表项的P=0时，则该表项无效，不能用于地址转换。此时，处理器不对这些位进行测试。当CPU试图使用无效页表项进行地址转换时，会发出页异常信号。缺页中断异常处理程序将请求的页面映射并加入到物理内存中，异常指令被重新执行。

已访问（A）和已修改（D）比特位提供有关页使用的信息。除了页目录项中的已修改位，这些比特位由硬件置位，但不复位。页目录项和页表项的主要区别在于页表项有一个已写位D（Dirty），而页目录项没有。

在对一页内存进行读或写操作之前，CPU将设置相关的目录和二级页表项的已访问位。在向二级页表项所涵盖的地址进行写操作之前，处理器将设置该二级页表项的已修改位。内存管理程序需负责检测和复位这些位。当内存不足时，页面换入和换出功能用于将暂时不用的物理内存替换出去，保存到磁盘（交换设备）中，为其他急用信息腾出空间。

每个进程均有一个页表，保存在进程的pgd字段中。页目录表和页表都存在于物理内存中，每个表中项保存的地址均为物理地址。页目录表和页表占用的内存示意图如下。每个进程的页表保存在进程的pgd字段中。

页面换入和换出机制允许操作系统在物理内存不足时，将暂时不用的页面替换出去，保存到磁盘（交换设备），为其他急用信息腾出空间。当需要时，可以从磁盘读取页面。页面换入和换出是操作系统管理物理内存的重要功能。