Linux kernel 内存 - 页表映射（SHIFT，SIZE，MASK）和转换(32位，64位)
0. Intro
如下是在32位下的情况，32位下，只有三级页表：PGD，PMD，PTE
在64位情况下，会有四级页表：PGD，PUD，PMD，PTE
但是原理基本上是一样的，本文主要是想记录一下页表转换中的几个 基本概念宏：SHITF，SIZE，MASK以及之间的转换。
1. Linux虚拟内存三级页表 （本文以32位为主线）
Linux虚拟内存三级管理由以下三级组成：
- PGD: Page Global Directory (页目录)
- PMD: Page Middle Directory (页目录)
- PTE: Page Table Entry (页表项)
每一级有以下三个关键描述宏：
- SHIFT
- SIZE
- MASK
如页的对应描述为：
/* PAGE_SHIFT determines the page size asm/page.h */
#define PAGE_SHIFT 12
#define PAGE_SIZE (_AC(1,UL) << PAGE_SHIFT)
#define PAGE_MASK (~(PAGE_SIZE-1))
数据结构定义如下：
/* asm/page.h */
typedef unsigned long pteval_t;
typedef pteval_t pte_t;
typedef unsigned long pmd_t;
typedef unsigned long pgd_t[2];
typedef unsigned long pgprot_t;
#define pte_val(x) (x)
#define pmd_val(x) (x)
#define pgd_val(x) ((x)[0])
#define pgprot_val(x) (x)
#define __pte(x) (x)
#define __pmd(x) (x)
#define __pgprot(x) (x)
2 Page Directory (PGD and PMD)
每个进程有它自己的PGD( Page Global Directory)，它是一个物理页，并包含一个pgd_t数组。其定义见<asm/page.h>。 进程的pgd_t数据见 task_struct -> mm_struct -> pgd_t * pgd;
ARM架构的PGD和PMD的定义如下<arch/arm/include/asm/pgtable.h>：
#define PTRS_PER_PTE 512 // PTE中可包含的指针<u32>数 (21-12=9bit) #define PTRS_PER_PMD 1 #define PTRS_PER_PGD 2048 // PGD中可包含的指针<u32>数 (32-21=11bit)
#define PTE_HWTABLE_PTRS (PTRS_PER_PTE) #define PTE_HWTABLE_OFF (PTE_HWTABLE_PTRS * sizeof(pte_t)) #define PTE_HWTABLE_SIZE (PTRS_PER_PTE * sizeof(u32))
/* * PMD_SHIFT determines the size of the area a second-level page table can map * PGDIR_SHIFT determines what a third-level page table entry can map */ #define PMD_SHIFT 21 #define PGDIR_SHIFT 21
虚拟地址SHIFT宏图：
虚拟地址MASK和SIZE宏图：
3. Page Table Entry
PTEs, PMDs和PGDs分别由pte_t, pmd_t 和pgd_t来描述。为了存储保护位，pgprot_t被定义，它拥有相关的flags并经常被存储在page table entry低位(lower bits)，其具体的存储方式依赖于CPU架构。
每个pte_t指向一个物理页的地址，并且所有的地址都是页对齐的。因此在32位地址中有PAGE_SHIFT(12)位是空闲的，它可以为PTE的状态位。
PTE的保护和状态位如下图所示：
4. 如何通过3级页表访问物理内存
为了通过PGD、PMD和PTE访问物理内存，其相关宏在asm/pgtable.h中定义。
- pgd_offset
根据当前虚拟地址和当前进程的mm_struct获取pgd项的宏定义如下：
/* to find an entry in a page-table-directory */
#define pgd_index(addr) ((addr) >> PGDIR_SHIFT) //获得在pgd表中的索引
#define pgd_offset(mm, addr) ((mm)->pgd + pgd_index(addr)) //获得pmd表的起始地址
/* to find an entry in a kernel page-table-directory */
#define pgd_offset_k(addr) pgd_offset(&init_mm, addr)
- pmd_offset
根据通过pgd_offset获取的pgd 项和虚拟地址，获取相关的pmd项(即pte表的起始地址)
/* Find an entry in the second-level page table.. */
#define pmd_offset(dir, addr) ((pmd_t *)(dir)) //即为pgd项的值
- pte_offset
根据通过pmd_offset获取的pmd项和虚拟地址，获取相关的pte项(即物理页的起始地址)
#ifndef CONFIG_HIGHPTE
#define __pte_map(pmd) pmd_page_vaddr(*(pmd))
#define __pte_unmap(pte) do { } while (0)
#else
#define __pte_map(pmd) (pte_t *)kmap_atomic(pmd_page(*(pmd)))
#define __pte_unmap(pte) kunmap_atomic(pte)
#endif
#define pte_index(addr) (((addr) >> PAGE_SHIFT) & (PTRS_PER_PTE - 1))
#define pte_offset_kernel(pmd,addr) (pmd_page_vaddr(*(pmd)) + pte_index(addr))
#define pte_offset_map(pmd,addr) (__pte_map(pmd) + pte_index(addr))
#define pte_unmap(pte) __pte_unmap(pte)
#define pte_pfn(pte) (pte_val(pte) >> PAGE_SHIFT)
#define pfn_pte(pfn,prot) __pte(__pfn_to_phys(pfn) | pgprot_val(prot))
#define pte_page(pte) pfn_to_page(pte_pfn(pte))
#define mk_pte(page,prot) pfn_pte(page_to_pfn(page), prot)
#define set_pte_ext(ptep,pte,ext) cpu_set_pte_ext(ptep,pte,ext)
#define pte_clear(mm,addr,ptep) set_pte_ext(ptep, __pte(0), 0)
其示意图如下图所示：
64位
上面主要是介绍了32位的 页表转换 逻辑；
现在我们来看看64位的页表转换逻辑， 和32位的区别；
区别
- 32位的是32个bit，64位的是64个bit的虚拟地址；但是这个64位的虚拟地址中不是每一个bit都使用了，现在只使用了48个bit，其中，PGD，PUD，PMD，PTE分别是9个bit，PAGE大小占用12个bit，12个bit刚好是一个page的大小，也就是4k。
- 需要注意的是，PGD，PUD，PMD，PTE分别都是9个bit，在虚拟地址中，虚拟地址转换到物理地址，是由MMU完成的，MMU根据虚拟地址，分别抽出PGD，PUD，PMD，PTE的值，就可以计算出物理机制。
- PGD，PUD，PMD，PTE 分别都是一个4k的page，其实，PGD，PUD，PMD，PTE 是四张table，table的大小都是4k，其中table的entry分别是:
pgd_t, pud_t, pmd_t, pte_t, 都是unsigned long 类型（8个字节），4k（2的12次方）/8 字节 （2的3次方）= 512 个entry（2的9次方） - PTE的table大小也是4k，entry大小也是8字节，所以，PTE表中可以存放512个entry（也就是512个物理机地址），8个字节是64位，其中PTE只需要48位就可以了，剩下的12位作为flag，记录，这个pte entry的属性（accessed，present，dirty ...）
宏
arch/x86/include/asm/page_types.h
#define PAGE_SHIFT 12
#define PAGE_SIZE (_AC(1,UL) << PAGE_SHIFT)
#define PAGE_MASK (~(PAGE_SIZE-1))
#define PMD_PAGE_SIZE (_AC(1, UL) << PMD_SHIFT)
#define PMD_PAGE_MASK (~(PMD_PAGE_SIZE-1))
#define PUD_PAGE_SIZE (_AC(1, UL) << PUD_SHIFT)
#define PUD_PAGE_MASK (~(PUD_PAGE_SIZE-1))
SHIFT
在arch/x86/include/asm/pgtable_64_types.h 中，定义了 64位 x86下的，pte_t的类型其实是pteval_t, 而 pteval_t 其实是 unsigned long 类型。其他的也一样都是unsigned long , unsigned long 在x86_64 下是8个字节。
// PAGE_SHIFT是12位，PMD_SHITT就是21位，刚好，PTE占用了9位
arch/x86/include/asm/pgtable_64_types.h <<PMD_SHIFT>>
#define PMD_SHIFT 21
#define PUD_SHIFT 30
typedef unsigned long pteval_t;
typedef unsigned long pmdval_t;
typedef unsigned long pudval_t;
typedef unsigned long pgdval_t;
typedef unsigned long pgprotval_t;
typedef struct { pteval_t pte; } pte_t;
32位编译器：
char ：1个字节
char*（即指针变量）: 4个字节（32位的寻址空间是2^32, 即32个bit，也就是4个字节。同理64位编译器）
short int : 2个字节
int： 4个字节
unsigned int : 4个字节
float: 4个字节
double: 8个字节
long: 4个字节
long long: 8个字节
unsigned long: 4个字节
64位编译器：
char ：1个字节
char*(即指针变量): 8个字节
short int : 2个字节
int： 4个字节
unsigned int : 4个字节
float: 4个字节
double: 8个字节
long: 8个字节
long long: 8个字节
unsigned long: 8个字节
四级分页模型
x86-64架构采用四级分页模型，它是Linux四级分页机制的一个很好的实现。我们将x86-64架构的分页模型作为分析的入口点，它很好的“迎合”了Linux的四级分页机制。稍候我们再分析这种机制如何同样做到适合三级和二级分页模型。
PGDIR_SHIFT及相关宏
表示线性地址中offset字段、Table字段、Middle Dir字段和Upper Dir字段的位数。PGDIR_SIZE用于计算页全局目录中一个表项能映射区域的大小。PGDIR_MASK用于屏蔽线性地址中Middle Dir字段、Table字段和offset字段所在位。
在四级分页模型中，PGDIR_SHIFT占据39位，即9位页上级目录、9位页中间目录、9位页表和12位偏移。页全局目录同样占线性地址的9位，因此PTRS_PER_PGD为512。
arch/x86/include/asm/pgtable_64_types.h
#define PGDIR_SHIFT 39
#define PTRS_PER_PGD 512
#define PGDIR_SIZE (_AC(1, UL) << PGDIR_SHIFT)
#define PGDIR_MASK (~(PGDIR_SIZE - 1))
pgd_offset()
该函数返回线性地址address在页全局目录中对应表项的线性地址。mm为指向一个内存描述符的指针，address为要转换的线性地址。该宏最终返回addrress在页全局目录中相应表项的线性地址。
arch/x86/include/asm/pgtable.h
#define pgd_index(address) (((address) >> PGDIR_SHIFT) & (PTRS_PER_PGD - 1))
#define pgd_offset(mm, address) ((mm)->pgd + pgd_index((address)))
PUD_SHIFT及相关宏
表示线性地址中offset字段、Table字段和Middle Dir字段的位数。PUD_SIZE用于计算页上级目录一个表项映射的区域大小，PUD_MASK用于屏蔽线性地址中Middle Dir字段、Table字段和offset字段所在位。
在64位系统四级分页模型下，PUD_SHIFT的大小为30，包括12位的offset字段、9位Table字段和9位Middle Dir字段。由于页上级目录在线性地址中占9位，因此页上级目录的表项数为512。
arch/x86/include/asm/pgtable_64_types.h
#define PUD_SHIFT 30
#define PTRS_PER_PUD 512
#define PUD_SIZE (_AC(1, UL) << PUD_SHIFT)
#define PUD_MASK (~(PUD_SIZE - 1))
pud_offset()
pgd_val(pgd)获得pgd所指的页全局目录项，它与PTE_PFN_MASK相与得到该项所对应的物理页框号。__va()用于将物理地址转化为虚拟地址。也就是说，pgd_page_vaddr最终返回页全局目录项pgd所对应的线性地址。因为pud_index()返回线性地址在页上级目录中所在表项的索引，因此pud_offset()最终返回addrress对应的页上级目录项的线性地址。
arch/x86/include/asm/page.h
#define __va(x) ((void *)((unsigned long)(x)+PAGE_OFFSET))
arch/x86/include/asm/pgtable_types.h
#define PTE_PFN_MASK ((pteval_t)PHYSICAL_PAGE_MASK)
arch/x86/include/asm/pgtable.h
static inline unsigned long pgd_page_vaddr(pgd_t pgd)
{
return (unsigned long)__va((unsigned long)pgd_val(pgd) & PTE_PFN_MASK);
}
static inline pud_t *pud_offset(pgd_t *pgd, unsigned long address)
{
return (pud_t *)pgd_page_vaddr(*pgd) + pud_index(address);
}
PMD_SHIFT及相关宏
表示线性地址中offset字段和Table字段的位数，2的PMD_SHIFT次幂表示一个页中间目录项可以映射的内存区域大小。PMD_SIZE用于计算这个区域的大小，PMD_MASK用来屏蔽offset字段和Table字段的所有位。PTRS_PER_PMD表示页中间目录中表项的个数。
在64位系统中，Linux采用四级分页模型。线性地址包含页全局目录、页上级目录、页中间目录、页表和偏移量五部分。在这两种模型中PMD_SHIFT占21位，即包括Table字段的9位和offset字段的12位。PTRS_PER_PMD的值为512，即2的9次幂，表示页中间目录包含的表项个数。
#define PMD_SHIFT 21
#define PTRS_PER_PMD 512
#define PMD_SIZE (_AC(1, UL) << PMD_SHIFT)
#define PMD_MASK (~(PMD_SIZE - 1))
pmd_offset()
该函数返回address在页中间目录中对应表项的线性地址。
static inline pmd_t *pmd_offset(pud_t *pud, unsigned long address)
{
return (pmd_t *)pud_page_vaddr(*pud) + pmd_index(address);
}
static inline unsigned long pud_page_vaddr(pud_t pud)
{
return (unsigned long)__va((unsigned long)pud_val(pud) & PTE_PFN_MASK);
}
PAGE_SHIFT及相关宏
表示线性地址offset字段的位数。该宏的值被定义为12位，即页的大小为4KB。与它对应的宏有PAGE_SIZE，它返回一个页的大小；PAGE_MASK用来屏蔽offset字段，其值为oxfffff000。PTRS_PER_PTE表明页表在线性地址中占据9位。
arch/x86/include/asm/page_types.h
/* PAGE_SHIFT determines the page size */
#define PAGE_SHIFT 12
#define PTRS_PER_PTE 512
#define PAGE_SIZE (_AC(1,UL) << PAGE_SHIFT)
#define PAGE_MASK (~(PAGE_SIZE-1))
通过上面的分析可知，在x86-64架构下64位的线性地址被划分为五部分，每部分占据的位数分别为9，9，9，9，12，实际上只用了64位中的48位。对于四级页表而言，级别从高到底每级页表中表项的个数为512，512，512，512。
