page_table

简介

Linux Kernel分页为了支持不同的CPU体系架构，设计了五级分页模型，如下图所示。

五级分页，分别为页全局目录 PGD、页4级目录 P4D、页上级目录 PUD、页中间目录 PMD、页表 PTE。相关宏定义如下：

#define PGDIR_SHIFT
#define P4D_SHIFT
#define PUD_SHIFT
#define PMD_SHIFT
#define PAGE_SHIFT

这些宏定义与具体体系架构相关，如果体系架构只使用了4级，3级或者更少的分级映射，则忽略若干个定义即可。

• 当CONFIG_PGTABLE_LEVELS=4时：pgd -> pud -> pmd -> pte;

• 当CONFIG_PGTABLE_LEVELS=3时，没有PUD页表：pgd(pud) -> pmd -> pte;

• 当CONFIG_PGTABLE_LEVELS=2时，没有PUD和PMD页表：pgd(pud, pmd) -> pte

Linux 对于页表操作主要定义了以下函数。这些函数与体系架构强相关，因此需要按照体系架构的硬件定义去实现。

函数	说明
pgd_offset(mm, addr)	在 PGD 中查找 addr 相应的页表项
p4d_offset(pgd, addr)	在 P4D 中查找 addr 相应的页表项
pud_offset(p4d, addr)	在 PUD 中查找 addr 相应的页表项
pmd_offset(pud, addr)	在 PMD 中查找 addr 相应的页表项
pte_offset_kernel(pmd, addr)	在 PT 中查找 addr 相应的页
pgd_index(addr)	获得 addr 的 PGD 索引
pud_index(addr)	获得 addr 的 PUD 索引
pmd_index(addr)	获得 addr 的 PMD 索引
pte_index(addr)	获得 addr 的 PT 索引
set_pgd(pgdp, pgd)	向 PGD 写入指定的值
set_p4d(p4dp, p4d)	向 P4D 写入指定的值

X86

支持四种分页模式：32-bit，PAE，4-Level Paging和5-Level Paging。

ARMv8

当使用 64KB 页大小时，使用三级页表；当使用 4KB 和 16KB 页大小时，使用四级页表。

当采用 4KB 页大小 + 4 级页表时，内核空间和用户空间大小分别为256TB。

RISC-V

#TODO

总结

• 定义各级页表结构体 xxx_t、页表项 xxxval_t 的类型，如：pgd_t、pgdval_t

• 定义获得各级页表项数据 xxx_val()、返回对应页表结构体类型的变量 __xxx() 的函数，如：pgd_val()、__pgd()

• xxx_none() 代表 此页表是否存在？1代表不存在，0代表存在。

• xxx_present() 代表 此页表是否存在下一级？1代表存在，0代表不存在。

• xxx_bad() 代表 此页表是否损坏？1代表已损坏，0代表没有损坏。

• xxx_valid() 代表 此页表是否可用？1代表可用，0代表不可用。

• xxx_pte() 将 xxx 类型转换成 pte 类型，如 pgd_pte()

• __xxx_to_phys() 将 xxx 转换成物理地址，如：__pgd_to_phys(pgd)

• __phys_to_xxx_val() 将物理地址转换成 xxx，如：__phys_to_pgd_val(phys)

• set_xxx(*xxxp, xxx) 将 *xxxp 填充为 xxx，如 set_pte(pte_t *ptep, pte_t pte)，即 *ptep = pte

• 定义各级页表的 xxx_SHIFT、xxx_SIZE、xxx_MASK、PTRS_PER_xxx等宏，如：PGDIR_SHIFT、PGDIR_SIZE、PGDIR_MASK、PTRS_PER_PGD

• xxx_index(vaddr) 查找 vaddr 在各级页表的索引值，如 pgd_index(vaddr)，返回 vaddr 地址在 pgd 页表的索引值

• xxx_offset(uplevel, vaddr) 获得 vaddr 在 xxx 页表中的页表项，如 pmd_offset(pud, vaddr)

• __xxx_populate(xxx, downlevel_paddr, prot) 填充 xxx 页表项为 (downlevel_paddr + prot)，如 __pud_populate(pud_t *pudp, phys_addr_t pmdp, pudval_t prot)，即 *pudp = (pmdp + prot)

• xxx_alloc_one[_kernel]() 调用 page 分配器为 xxx 页表分配一页大小的内存，如：pmd_alloc_one()

• xxx_free[_kernel]() 释放 xxx 页表对应的一页大小的内存，如：pmd_free()

用户空间查看页表项的属性

通过使能 CONFIG_PTDUMP_DEBUGFS=y 在用户空间导出页表相关信息

x86_64

$ ls /sys/kernel/debug/page_tables/
current_kernel  current_user  efi  kernel

arm64

## Documentation/arch/arm64/ptdump.rst
$ ls /sys/kernel/debug/kernel_page_tables

RISC-V

#TODO