1 分页机制

在虚拟内存中，页表是个映射表的概念, 即从进程能理解的线性地址(linear address)映射到存储器上的物理地址(phisical address).

很显然，这个页表是需要常驻内存的东西, 以应对频繁的查询映射需要(实际上，现代支持VM的处理器都有一个叫TLB的硬件级页表缓存部件，本文不讨论）。

1.1 为什么使用多级页表来完成映射

但是为什么要使用多级页表来完成映射呢?

用来将虚拟地址映射到物理地址的数据结构称为页表, 实现两个地址空间的关联最容易的方式是使用数组, 对虚拟地址空间中的每一页, 都分配一个数组项. 该数组指向与之关联的页帧,但这会引发一个问题, 例如, IA-32体系结构使用4KB大小的页, 在虚拟地址空间为4GB的前提下, 则需要包含100万项的页表. 这个问题在64位体系结构下, 情况会更加糟糕. 而每个进程都需要自身的页表, 这回导致系统中大量的所有内存都用来保存页表.

设想一个典型的32位的X86系统，它的虚拟内存用户空间(user space)大小为3G,并且典型的一个页表项(page table entry, pte)大小为4 bytes，每一个页(page)大小为4k bytes。那么这3G空间一共有(3G/4k=)786432个页面，每个页面需要一个pte来保存映射信息，这样一共需要786432个pte!

如何存储这些信息呢？一个直观的做法是用数组来存储，这样每个页能存储(4k/4=)1K个，这样一共需要(786432/1k=)768个连续的物理页面(phsical page)。而且，这只是一个进程，如果要存放所有N个进程，这个数目还要乘上N! 这是个巨大的数目，哪怕内存能提供这样数量的空间，要找到连续768个连续的物理页面在系统运行一段时间后碎片化的情况下，也是不现实的。

为减少页表的大小并容许忽略不需要的区域, 计算机体系结构的涉及会将虚拟地址分成多个部分. 同时虚拟地址空间的大部分们区域都没有使用, 因而页没有关联到页帧, 那么就可以使用功能相同但内存用量少的多的模型: 多级页表

但是新的问题来了, 到底采用几级页表合适呢?

1.2 32位系统中2级页表

从80386开始, intel处理器的分页单元是4KB的页, 32位的地址空间被分为3部分

单元	描述
页目录表Directory	最高10位
页中间表Table	中间10位
页内偏移	最低12位

即页表被划分为页目录表Directory和页中间表Tabl两个部分

此种情况下, 线性地址的转换分为两步完成.

• 第一步, 基于两级转换表(页目录表和页中间表), 最终查找到地址所在的页帧

• 第二步, 基于偏移, 在所在的页帧中查找到对应偏移的物理地址

使用这种二级页表可以有效的减少每个进程页表所需的RAM的数量. 如果使用简单的一级页表, 那将需要高达2^20个页表, 假设每项4B, 则共需要占用2^20 * 4B = 4MB的RAM来表示每个进程的页表. 当然我们并不需要映射所有的线性地址空间(32位机器上线性地址空间为4GB), 内核通常只为进程实际使用的那些虚拟内存区请求页表来减少内存使用量.

1.3 64位系统中的分页

正常来说, 对于32位的系统两级页表已经足够了, 但是对于64位系统的计算机, 这远远不够.

首先假设一个大小为4KB的标准页. 因为1KB覆盖2^10个地址的范围, 4KB覆盖2^12个地址, 所以offset字段需要12位.

这样线性地址空间就剩下64-12=52位分配给页中间表Table和页目录表Directory. 如果我们现在决定仅仅使用64位中的48位来寻址(这个限制其实已经足够了, 2^48=256TB, 即可达到256TB的寻址空间). 剩下的48-12=36位被分配给Table和Directory字段. 即使我们现在决定位两个字段各预留18位, 那么每个进程的页目录和页表都包含2^18个项, 即超过256000个项.

基于这个原因, 所有64位处理器的硬件分页系统都使用了额外的分页级别. 使用的级别取决于处理器的类型

平台名称	页大小	寻址所使用的位数	分页级别数	线性地址分级
alpha	8KB	43	3	10 + 10 + 10 + 13
ia64	4KB	39	3	9 + 9 + 9 + 12
ppc64	4KB	41	3	10 + 10 + 9 + 12
sh64	4KB	41	3	10 + 10 + 9 + 12
x86_64	4KB	48	4	9 + 9 + 9 + 9 + 12

1.4 Linux中的分页

层次话的页表用于支持对大地址空间快速, 高效的管理. 因此linux内核堆页表进行了分级.

前面我们提到过, 对于32位系统中, 两级页表已经足够了. 但是64位需要更多数量的分页级别.

为了同时支持适用于32位和64位的系统, Linux采用了通用的分页模型. 在Linux-2.6.10版本中, Linux采用了三级分页模型. 而从2.6.11开始普遍采用了四级分页模型.

目前的内核的内存管理总是假定使用四级页表, 而不管底层处理器是否如此.

单元	描述
页全局目录	Page GlobalDirectory
页上级目录	Page Upper Directory
页中间目录	Page Middle Directory
页表	Page Table
页内偏移	Page Offset

Linux不同于其他的操作系统, 它把计算机分成独立层(体系结构无关)/依赖层(体系结构相关)两个层次. 对于页面的映射和管理也是如此. 页表管理分为两个部分, 第一个部分依赖于体系结构, 第二个部分是体系结构无关的. 所有数据结构几乎都定义在特定体系结构的文件中. 这些数据结构的定义可以在头文件arch/对应体系/include/asm/page.h和arch/对应体系/include/asm/pgtable.h中找到. 但是对于AMD64和IA-32已经统一为一个体系结构. 但是在处理页表方面仍然有很多的区别, 因为相关的定义分为两个不同的文件arch/x86/include/asm/page_32.h和arch/x86/include/asm/page_64.h, 类似的也有pgtable_xx.h .

2 页表

Linux内核通过四级页表将虚拟内存空间分为5个部分(4个页表项用于选择页, 1个索引用来表示页内的偏移). 各个体系结构不仅地址长度不同, 而且地址字拆分的方式也不一定相同. 因此内核使用了宏用于将地址分解为各个分量.

其他内容请参照博主的另外两篇博客, 我就不罗嗦了

深入理解计算机系统-之-内存寻址（五）–页式存储管理, 详细讲解了传统的页式存储管理机制

深入理解计算机系统-之-内存寻址（六）–linux中的分页机制, 详细的讲解了Linux内核分页机制的实现机制

3 Linux分页机制的演变

3.1 Linux的页表实现

由于程序存在局部化特征, 这意味着在特定的时间内只有部分内存会被频繁访问，具体点，进程空间中的text段(即程序代码), 堆， 共享库，栈都是固定在进程空间的某个特定部分，这样导致进程空间其实是非常稀疏的, 于是，从硬件层面开始，页表的实现就是采用分级页表的方式，Linux内核当然也这么做。所谓分级简单说就是，把整个进程空间分成区块，区块下面可以再细分，这样在内存中只要常驻某个区块的页