linux内存管理（六）linux分页机制的演进

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更新：2019/2/9，转载请注明出处。

内存管理系列文章：

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linux内存管理（一）开篇介绍
linux内存管理（二）两种内存架构和linux三种内存模型
linux内存管理（三）linux内存管理三级结构
linux内存管理（四）分页机制概述
linux内存管理（五）内存源头
linux内存管理（六）linux分页机制的演进
linux内存管理（八）页表最初的初始化--从内核启动的第一段代码谈起

我们在前面介绍了linux的分页机制，叙述了linux目前所采用的四级分页机制。然而linux在最开始并非采用四级分页机制，是随着硬件内存的扩大从最初的二级扩展成三级，再到目前的四级。我们今天来探索linux分页机制的演遍过程。本文转载自https://blog.csdn.net/gatieme/article/details/52402861，对很多表述不通的地方做了修改。

Linux最初的二级页表

Linux最初是在一台i386机器上开发的，这种机器是典型的32位X86架构，支持两级页表。

对于两级页表，一个32位虚拟地址被分成3部分：

当在进行地址转换时，

对于x86而言，CR3寄存器中存放着页目录(page directory, PGD)的地址；对于arm而言，页目录的地址存放在全局变量swapper_pg_dir（关于该变量在第八篇有叙述）。

1 从虚拟地址中抽出高10位作为偏移, 即可定位到该地址对应的页目录项;

2 页目录项中存放着描述该地址的二级页目录的地址，根据该地址即可访问二级页目录，再加上从虚拟地址中抽取中间10位作为页表项偏移, 即可定位到描述该地址的页表项;

3 页表项中存放着该地址对应的页的物理地址，加上从虚拟地址中抽取的最后12位，就可以找到页内的任一字节，即最终完成从虚拟地址到物理地址的转换。

我们可以看下页表项存放的内容:

页表项的高20位用于描述该页的物理地址，而低12位用于描述一些有用的信息，至于是什么信息后面会告诉你。

为何只要20位就可以描述该页的物理地址？因为一页的大小是4K，也就是说所有页的物理地址都是4K的整数倍。

从上述过程可以看出，对虚拟地址的分级解析过程，实际上就是不断深入页表层次，逐渐定位到最终地址的过程，所以这一过程被叫做page talbe walk。

Linux的三级页表

当X86引入物理地址扩展(Pisycal Addrress Extension, PAE)后，可以支持大于4G的物理内存(36位），但虚拟地址依然是32位，原先的页表项不适用，它实际多4 bytes被扩充到8 bytes，这意味着，每一页现在能存放的pte数目从1024变成512了(4k/8)。相应地，页表层级发生了变化，Linus新增加了一个层级，叫做页中间目录(page middle directory, PMD), 变成：

实际的page table walk依然类似，只不过多了一级。现在就同时存在2级页表和3级页表，在代码管理上肯定不方便。巧妙的是，Linux采取了一种抽象方法：所有架构全部使用3级页表: 即PGD -> PMD -> PTE。那只使用2级页表(如非PAE的X86)怎么办？

办法是针对使用2级页表的架构，把PMD抽象掉，即虚设一个PMD表项。这样在page table walk过程中，PGD本直接指向PTE的，现在不了，指向一个虚拟的PMD，然后再由PMD指向PTE。这种抽象保持了代码结构的统一。

Linux的四级页表

硬件在发展，3级页表很快又捉襟见肘了，原因是64位CPU出现了, 比如X86_64， 它的硬件是实实在在支持4级页表的。它支持48位的虚拟地址空间。如下：

Linux内核为使用原来的3级列表(PGD->PMD->PTE)，做了折衷。即采用一个唯一的，共享的顶级层次，叫PML4[2]。这个PML4没有编码在地址中，这样就能套用原来的3级列表方案了。不过代价就是，由于只有唯一的PML4，寻址空间被局限在(239=)512G, 而本来PML4段有9位，可以支持512个PML4表项的。现在为了使用3级列表方案，只能限制使用一个，512G的空间很快就又不够用了，解决方案呼之欲出。

在2004年10月，当时的X86_64架构代码的维护者Andi Kleen提交了一个叫做4level page tables for Linux的PATCH系列，为Linux内核带来了4级页表的支持。在他的解决方案中，不出意料地，按照X86_64规范，新增了一个PML4的层级, 在这种解决方案中，X86_64拥一个有512条目的PML4，512条目的PGD, 512条目的PMD，512条目的PTE。对于仍使用3级目录的架构来说，它们依然拥有一个虚拟的PML4，相关的代码会在编译时被优化掉。这样，就把Linux内核的3级列表扩充为4级列表。这系列PATCH工作得不错，不久被纳入Andrew Morton的-mm树接受测试。

不出意外的话，它将在v2.6.11版本中释出。但是，另一个知名开发者Nick Piggin提出了一些看法，他认为Andi的Patch很不错，不过他认为最好还是把PGD作为第一级目录，把新增加的层次放在中间，并给出了他自己的Patch:alternate 4-level page tables patches。Andi更想保持自己的PATCH，他认为Nick不过是玩了改名的游戏，而且他的PATCH经过测试很稳定，快被合并到主线了，不宜再折腾。

不过Linus却表达了对Nick Piggin的支持，理由是Nick的做法conceptually least intrusive。毕竟作为Linux的扛把子，稳定对于Linus来说意义重大。

最终，不意外地，最后Nick Piggin的PATCH在v2.6.11版本中被合并入主线。在这种方案中，4级页表分别是：PGD -> PUD -> PMD -> PTE。

每天进步一点点……