📚 课程目录第4章 4级页表结构总览

4. 4级页表结构总览

在 x86_64 长模式下，Linux 内核使用 4 级分页 机制将 48 位线性地址转换为 52 位物理地址。这 4 级页表分别为：PML4（Page Map Level 4）、PDPT（Page Directory Pointer Table）、PD（Page Directory）和 PT（Page Table）。每一级负责从线性地址中提取对应的索引，逐级查找，最终定位到物理页框。

核心要点： 4 级页表本质上是一个 多级索引数组。线性地址被切分为 5 个部分：4 个索引（每级 9 位）和 1 个页内偏移（12 位）。CPU 通过 CR3 寄存器找到 PML4 表基址，然后逐级索引，最终获得物理地址。

4.1 线性地址的划分

一个 48 位线性地址被划分为 5 个字段，从高位到低位依次为：

字段	位范围	位数	作用
PML4 索引	47:39	9	在 PML4 表中索引一个条目（PML4E）
PDPT 索引	38:30	9	在 PDPT 表中索引一个条目（PDPTE）
PD 索引	29:21	9	在 PD 表中索引一个条目（PDE）
PT 索引	20:12	9	在 PT 表中索引一个条目（PTE）
页内偏移	11:0	12	在物理页框内的字节偏移

每个索引占用 9 位，因此每级页表最多包含 512 个条目（2^9）。每个条目占用 8 字节（64 位），因此每级页表的大小为 4 KB（512 × 8），恰好与一个物理页框大小相同。

4.2 4级页表层级关系与索引流程

下图展示了从线性地址到物理地址的完整转换路径：

4.3 索引方式详解

地址转换的每一步都遵循相同的模式：

获取表基址： 从 CR3 寄存器（PML4 基址）或上一级页表条目中读取下一级页表的物理基址。
提取索引： 从线性地址中提取对应级别的 9 位索引。
计算条目地址： 条目地址 = 表基址 + 索引 × 8。
读取条目： 从内存中读取 8 字节的页表条目。
检查权限： 验证 Present、R/W、U/S 等标志位。
获取下一级基址： 从条目中提取物理地址的高 40 位（页框号），作为下一级页表的基址。

  关键公式： 对于线性地址 LA，其 PML4 索引为 (LA >> 39) & 0x1FF，PDPT 索引为 (LA >> 30) & 0x1FF，PD 索引为 (LA >> 21) & 0x1FF，PT 索引为 (LA >> 12) & 0x1FF，页内偏移为 LA & 0xFFF。

4.4 页表条目结构

每个页表条目（PML4E、PDPTE、PDE、PTE）都是 64 位，其通用结构如下：

位范围	字段	说明
63:52	保留 / NX	第 63 位为 NX（不可执行）位（如果启用 NX 支持）
51:12	物理页框号	下一级页表或物理页的基址（高 40 位）
11:9	AVL	软件可用位（操作系统可自定义）
8	G	全局页（Global）
7	PS	页大小（Page Size），仅在 PDE 和 PDPTE 中有效
6	D	脏位（Dirty），仅在 PDE 和 PTE 中有效
5	A	访问位（Accessed）
4	PCD	页级缓存禁用（Page-level Cache Disable）
3	PWT	页级写透（Page-level Write-Through）
2	U/S	用户/超级用户（User/Supervisor）
1	R/W	读/写（Read/Write）
0	P	存在位（Present）

注意： 在 PML4 和 PDPT 级别，PS 位（位 7）用于指示是否使用 1 GB 大页（PDPTE）或 2 MB 大页（PDE）。如果 PS 位被置位，则地址转换在该级终止，不再继续查找下一级页表。

4.5 4级页表的内存占用

每个进程拥有独立的页表层次结构。下表展示了 4 级页表在不同情况下的内存占用：

页表级别	条目数	每个条目大小	表大小	覆盖的虚拟地址范围
PML4	512	8 字节	4 KB	整个 48 位地址空间（256 TB）
PDPT	512	8 字节	4 KB	512 GB（每个 PML4E）
PD	512	8 字节	4 KB	1 GB（每个 PDPTE）
PT	512	8 字节	4 KB	2 MB（每个 PDE）

对于典型的 4 KB 页，一个完整的 4 级页表层次结构理论上需要 4 个页框（PML4、PDPT、PD、PT 各一个），共 16 KB。然而，由于大多数进程只使用地址空间的一小部分，内核会按需分配页表，实际内存占用远小于理论最大值。

4.6 实战：手动计算地址转换

假设线性地址为 0x7F3A_5B1C_8D20，我们手动计算其各级索引：

线性地址: 0x7F3A5B1C8D20
二进制:    0111 1111 0011 1010 0101 1011 0001 1100 1000 1101 0010 0000

PML4索引:  位 [47:39] = 0xFE (254)
PDPT索引:  位 [38:30] = 0x74 (116)
PD索引:    位 [29:21] = 0x2D (45)
PT索引:    位 [20:12] = 0x1C (28)
页内偏移:  位 [11:0]  = 0xD20 (3360)

转换过程如下：

从 CR3 获取 PML4 表基址。
在 PML4 表中索引第 254 个条目，读取 PML4E，获取 PDPT 表基址。
在 PDPT 表中索引第 116 个条目，读取 PDPTE，获取 PD 表基址。
在 PD 表中索引第 45 个条目，读取 PDE，获取 PT 表基址。
在 PT 表中索引第 28 个条目，读取 PTE，获取物理页框基址。
物理地址 = 物理页框基址 + 0xD20。

实战建议： 在 Linux 内核中，可以使用 pgd_offset()、pud_offset()、pmd_offset() 和 pte_offset() 宏来遍历当前进程的页表。这些宏封装了索引计算和条目读取的逻辑，是理解 4 级页表的最佳入口。