内核必须懂(七): Linux四级页表(x64)

在 Linux x64 中，虚拟地址空间是 2^48 (256 TB)。为了管理这么大的地址空间，Linux 使用了四级页表。

四级页表包含了四个级别的页表，每个页表的大小都是 512 个条目。每个条目的大小为 8 字节，因此一个页表的大小为 4 KB。因此，一个四级页表的大小为 4 KB * 512 * 512 * 512 * 512 = 256 TB。

在四级页表中，虚拟地址被划分为五个部分：PGD（Page Global Directory）、PUD（Page Upper Directory）、PMD（Page Middle Directory）、PTE（Page Table Entry）和偏移量。

- PGD：PGD 是最高级的页表，它包含了 512 个 PUD 条目。
- PUD：PUD 包含了 512 个 PMD 条目。
- PMD：PMD 包含了 512 个 PTE 条目。
- PTE：PTE 包含了物理页框号和一些标志。
- 偏移量：偏移量用于计算物理地址。

当 CPU 访问一个虚拟地址时，它首先使用 PGD 条目找到对应的 PUD 条目，然后使用 PUD 条目找到对应的 PMD 条目，依此类推。最后，CPU 使用 PTE 条目找到对应的物理页框号，并将虚拟地址中的偏移量添加到物理页框号中，得到物理地址。

Linux x64 中的页表是按需分配的。当进程第一次访问某个虚拟地址时，Linux 会分配一个物理页框，并将该页框映射到对应的虚拟地址。如果进程再次访问同一虚拟地址，则直接使用之前分配的物理页框。

这是 Linux x64 中页表的基本原理。理解页表的工作原理对于理解 Linux 内核的内存管理非常重要。