Linux内核6.6 内存管理（4）页表映射

3.本文主要讨论arm64架构

1.概念：

页表映射：虚拟内存到物理内存转换的机制。将连续的虚拟地址空间映射到离散的物理内存页（内存隔离/保护/高效利用）

虚拟地址：进程看到的地址空间（64位系统的0x0到0xffff ffff ffff ffff）

物理地址：实际内存芯片的地址

页（page）：内存管理基本单位（4KB/2MB/1GB），虚拟地址空间和物理地址空间都被划分为固定大小的页

页表（page table）：存储虚拟页到物理页的映射关系

2.多级页表结构：

4级页表（普遍）地址转换过程

虚拟地址 = [PGD索引]         [PUD索引]    [PMD索引]      [PTE索引]                          [页内偏移]
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 PGD表项      --->    PUD表项  ---> PMD表项  --->  PTE表项  --->物理页号(PFN)+左移12位（4KB）后+页内偏移

—————————————————————————页表，页表项，物理地址—————————————————————

每级页表的表项（如 PGD 表项、PUD 表项等 ），核心作用是存储下一级页表的物理基地址，构成 “指引链”。比如：

• PGD 基地址：存储在 CPU 的TTBR0_EL1/TTBR1_EL1 寄存器中，指向顶级页表（PGD）的物理地址。

PGD物理地址（已经被虚拟地址转化）+L0索引 = PGD表项

• PGD 表项：存放下一级 PUD 页表的物理基地址
• PUD 表项：存放下一级 PMD 页表的物理基地址
• PMD 表项：存放下一级 PTE 页表的物理基地址
• PTE 表项：存放物理页框号（PFN）（最终映射物理地址 ）

流程类似 “找地图”：PGD 表项告诉你 “PUD 页表在物理内存的 XX 地址”，PUD 表项告诉你 “PMD 页表在 XX 地址” ，直到 PTE 表项告诉你 “物理页在 XX 地址”

页表项类型
typedef struct { unsigned long pgd; } pgd_t;
typedef struct { unsigned long pud; } pud_t;
typedef struct { unsigned long pmd; } pmd_t;
typedef struct { unsigned long pte; } pte_t;

页表操作函数
// 查找页表项
pgd_t *pgd_offset(struct mm_struct *mm, unsigned long addr);
pud_t *pud_offset(pgd_t *pgd, unsigned long addr);
pmd_t *pmd_offset(pud_t *pud, unsigned long addr);
pte_t *pte_offset_map(pmd_t *pmd, unsigned long addr);

// 设置页表项
static inline void set_pte(pte_t *ptep, pte_t pte);//把 “虚拟地址→物理地址的映射关系”，通过 pte_t 结构体封装后，写入页表对应的位置，完成地址映射配置。
static inline void set_pmd(pmd_t *pmdp, pmd_t pmd);

3.有关虚拟页的数据结构

3.1 vm_area_struct (VMA) 连续的虚拟地址空间及其属性

内核将进程的虚拟地址空间划分为多个VMA，每个VMA代表一个逻辑上的内存区域（.text .data stack 映射文件等）

3.2 mm_struct 进程的所有虚拟内存区域

每个进程都有一个mm_struct，通过它可以访问进程的所有虚拟内存区域和页表

3.3 page table 虚拟地址到物理地址的映射

4.内存映射的两种类型

4.1文件映射（File Mapping）

将文件内容直接映射到虚拟地址空间，读写内存相当于读写文件。

4.2匿名映射（Anonymous Mapping）

不关联具体文件，分配的内存初始化为 0（如堆、栈）。