Linux内存管理：页表管理深度解析

该资源是《深入理解LINUX内存管理》的学习笔记，主要讨论Linux内核中的页表管理，对比了2.6.10以前和2.6.11之后的页表组织结构，以及如何与不同硬件体系结构相适应。 在Linux内存管理中，页表管理扮演着至关重要的角色，因为它负责将虚拟地址转换为物理地址，使得进程能够访问内存。在早期的Linux内核版本（例如2.6.10及以前），硬件无关层采用三级页表目录管理：Page Global Directory (PGD)，Page Middle Directory (PMD)，以及Page Table (PTE)。每个级别分别对应不同的地址映射范围，帮助系统将线性地址分解并映射到实际的物理内存。 然而，随着64位CPU体系结构的发展，从2.6.11开始，Linux内核增加了Page Upper Directory (PUD)层，形成了四级页表结构：PGD、PUD、PMD和PTE。这样的设计是为了支持更大的地址空间，每个条目分别指向下一级页表，最终达到页面的物理地址。四级页表结构使得线性地址分为五部分，每级页表的大小取决于具体的CPU体系结构。 尽管Linux内核采用了这种通用的四级页表管理，但实际硬件可能并不完全遵循。例如，x86体系结构在不使用PAE（Physical Address Extension）时，仅需要两级页表：PGD和PTE。在这种情况下，中间的PUD和PMD层在硬件层面是不必要的，它们只在软件层面存在，用于兼容四级页表的抽象。 每个进程的内存上下文由`mm_struct`数据结构表示，其中包含了指向进程页目录（PGD）的指针。这个PGD实际上驻留在一个页面帧中，包含了`pgd_t`类型的数组。加载页目录到CPU的机制依赖于具体的体系结构，例如在x86架构中，通过CR3寄存器来设置当前进程的PGD，实现地址转换。 页目录的加载和切换是进程上下文切换的一部分，确保每个进程都能正确地看到自己的虚拟内存空间。这种灵活的页表管理方式使Linux内核能够有效地支持多种硬件平台，并且随着硬件的发展，能够方便地扩展以支持更大的内存空间和更复杂的地址映射策略。 总结来说，Linux内核的页表管理是内存管理的核心，通过适配不同层次的页表目录结构，实现了虚拟地址到物理地址的高效转换。它不仅考虑了硬件的差异，还保证了与不同CPU架构的兼容性，使得Linux能够在各种平台上运行。