聊一聊Linux虚拟内存技术

需要注意的是，页表是操作系统创建的用于内存管理的表格。因此，一个程序在运行时，其页表也要存放到内存空间。如果一个程序只需要一个页表，则不会有什么问题。但如果，程序的虚拟空间很大的话，就会出现一个比较大的问题。

比如：一个程序的虚拟空间为4GB，页表以4KB为一页，那么这个程序空间就是1M页。为了存储这1M页的页指针，那么这个页表的长度就相当大了，对内存的负担也很大了。所以，最好对页表也进行分页存储，在程序运行时只把需要的页复制到内存，而暂时不需要的页就让它留在辅存中。为了管理这些页表页，还要建立一个 记录页表页首地址的页目录表，于是单级页表就变成了二级页表。二级页表的地址转换如下图所示：

当然，如果程序的虚拟空间更大，那么也可以用三级页表来管理。为了具有通用性，Linux系统使用了三级页表结构：页目录(Page Directory，PGD)、中间页目录(Page Middle Directory，PMD)、页表(Page Table，PTE)。

Linux的页表结构

为了通用，Linux系统使用了三级页表结构：页目录、中间页目录和页表。PGD为 顶级页表，是一个pgdt数据类型的数组，每个数组元素指向一个中间页目录;PMD为 二级页表，是一个pmdt数据结构的数组，每个数组元素指向一个页表;PTE则是 页表，是一个pte_t数据类型的数组，每个元素中含有物理地址。

为了应用上的灵活，Linux使用一系列的宏来掩盖各种平台的细节。用户可以在配置文件 config中根据自己的需要对页表进行配置，以决定是使用三级页表还是使用二级页表。

在系统编译时，会根据配置文件 config中的配置，把目录 include/asm符号连接到具体CPU专用的文件目录中。例如，对于i386CPU，该目录符号会连接到include/asm-i386，并在文件pgable-2level-defs.h中定义了二级页表的基本结构，如下图：

其中还定义了：

#define PGDIR_SHIFT  22                             //PGD在线性地址中的起始地址为bit22 
#define PTRS_PER_PGD  1024                           //PGD共有1024个表项 
                      
#define PTRS_PER_PTE  1024                           //PTE共有1024个表项 
#endif 

在文件include/asm-i386/pgtable.h中定义了页目录和页表项的数据结构，如下：

typedof struct { unsigned long pte_low; }  pte_t ;                     //页表中的物理地址，页框码 
typedof struct { unsigned long pgd; }  pgd_t ;                         //指向一个页表 
typedof struct { unsigned long pgprot; }  pgprot_t ;                   //页表中的各个状态信息和访问权限 

从定义可知，它们都是只有一个 长整型类型(32位)的结构体。

注意：如上文的“页的保护”部分，页框码代表物理地址，只需要高20位就够了(因为页框的长度为4KB，因此页内偏移12位)。而后12位可以存放各个状态信息和访问权限。但是Linux并没有这样做，反而重新定义了一个结构体来存放，通过“或”运算来将两者结合。

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（编辑：晋中站长网）

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