3. 内核页表数据结构：struct page, pgd_t, pud_t, pmd_t, pte_t 的定义与层级关系

Linux 内核采用四级（或五级）分页机制管理虚拟地址到物理地址的映射。每一级页表对应一个特定的数据类型，这些数据结构共同构成了页表树的骨架。理解 struct page、pgd_t、pud_t、pmd_t、pte_t 的定义及其层级关系，是进行页表分配与回收性能调优的基础。

3.1 页表层级架构总览

现代 64 位处理器（如 x86_64、ARM64）通常支持 4 级分页：PGD → PUD → PMD → PTE。Linux 内核在此基础上抽象出通用的 5 级页表模型（含 P4D 层），但在大多数常见架构中，P4D 被折叠。下图展示了标准的 4 级页表层级关系：

3.2 核心数据结构定义

每个页表项类型本质上是对一个无符号长整型（unsigned long）的封装，目的是提供类型安全和架构抽象。以下是各类型在 x86_64 架构下的典型定义：

// 页表项基础类型：对 unsigned long 的封装
typedef struct { unsigned long pte; } pte_t;
typedef struct { unsigned long pmd; } pmd_t;
typedef struct { unsigned long pud; } pud_t;
typedef struct { unsigned long p4d; } p4d_t;
typedef struct { unsigned long pgd; } pgd_t;

// 页全局目录（PGD）—— 顶层页表
// 每个进程拥有独立的 PGD，指向其完整的地址空间映射
pgd_t *pgd;  // 指向 PGD 页表基地址

// 页上级目录（PUD）—— 第二级
// 由 PGD 中的表项指向
pud_t *pud;

// 页中间目录（PMD）—— 第三级
// 由 PUD 中的表项指向
pmd_t *pmd;

// 页表项（PTE）—— 第四级（最后一级）
// 由 PMD 中的表项指向，PTE 直接映射物理页框
pte_t *pte;

3.3 struct page —— 物理页框描述符

struct page 是内核管理物理内存的最小单元描述符，每个物理页框对应一个 struct page 实例。它不直接参与页表遍历，但页表项（PTE）最终指向的物理地址对应的管理结构就是 struct page。

// struct page 核心字段（精简版）
struct page {
    unsigned long flags;          // 页状态标志（PG_locked, PG_dirty 等）
    atomic_t _refcount;           // 引用计数（_refcount）
    atomic_t _mapcount;           // 映射计数（页表映射次数）
    unsigned int private;         // 私有数据（用于文件页、匿名页等）
    struct address_space *mapping; // 指向所属的地址空间
    pgoff_t index;                // 页在文件或交换区中的偏移
    struct list_head lru;         // LRU 链表节点（用于页面回收）
    void *virtual;                // 内核虚拟地址（若映射）
};

3.4 页表遍历与层级关系

内核通过 pgd_offset() → pud_offset() → pmd_offset() → pte_offset_map() 的调用链完成虚拟地址到物理地址的解析。以下代码展示了典型的页表遍历流程：

// 页表遍历核心逻辑（简化版）
pte_t *walk_page_table(struct mm_struct *mm, unsigned long addr)
{
    pgd_t *pgd;
    pud_t *pud;
    pmd_t *pmd;
    pte_t *pte;

    // 1. 获取 PGD 条目
    pgd = pgd_offset(mm, addr);
    if (pgd_none(*pgd) || pgd_bad(*pgd))
        return NULL;

    // 2. 获取 PUD 条目
    pud = pud_offset(pgd, addr);
    if (pud_none(*pud) || pud_bad(*pud))
        return NULL;

    // 3. 获取 PMD 条目
    pmd = pmd_offset(pud, addr);
    if (pmd_none(*pmd) || pmd_bad(*pmd))
        return NULL;

    // 4. 获取 PTE 条目（最后一级）
    pte = pte_offset_map(pmd, addr);
    if (pte_none(*pte))
        return NULL;

    return pte;
}

3.5 页表项标志位与权限控制

每个页表项的低位存储硬件标志位，控制页面的访问权限、缓存策略和状态。以下是 x86_64 架构下 PTE 的典型标志位布局：

// x86_64 PTE 标志位定义（arch/x86/include/asm/pgtable_types.h）
#define _PAGE_BIT_PRESENT   0   // 页是否在内存中
#define _PAGE_BIT_RW        1   // 可写
#define _PAGE_BIT_USER      2   // 用户态可访问
#define _PAGE_BIT_PWT       3   // Page Write Through
#define _PAGE_BIT_PCD       4   // Page Cache Disable
#define _PAGE_BIT_ACCESSED  5   // 已访问（由硬件置位）
#define _PAGE_BIT_DIRTY     6   // 已脏（由硬件置位）
#define _PAGE_BIT_PSE       7   // Page Size Extension（大页）
#define _PAGE_BIT_GLOBAL    8   // 全局页（不刷 TLB）
#define _PAGE_BIT_SOFTW1    9   // 软件可用位 1
#define _PAGE_BIT_SOFTW2    10  // 软件可用位 2
#define _PAGE_BIT_SOFTW3    11  // 软件可用位 3
#define _PAGE_BIT_PAT       12  // Page Attribute Table
#define _PAGE_BIT_SPECIAL   13  // 特殊页（内核使用）
#define _PAGE_BIT_CPA_TEST  14  // CPA 测试位

这些标志位在每一级页表中都可能出现，但只有 PTE 中的 _PAGE_BIT_PRESENT、_PAGE_BIT_RW、_PAGE_BIT_USER 等对最终访问权限起决定性作用。高层级页表的标志位用于快速过滤（如大页映射时 PMD 直接包含物理地址和权限）。

3.6 层级关系与内存开销

页表层级深度直接影响内存占用和 TLB 命中率。以下表格对比了不同配置下的页表内存开销：

3.7 页表分配与回收的入口点

理解数据结构后，需要知道内核在何处分配和回收这些页表：

• PGD 分配： pgd_alloc() —— 在进程创建（fork()）时调用，分配一整个物理页框作为 PGD 页表。
• PUD/PMD/PTE 分配： pud_alloc() / pmd_alloc() / pte_alloc_map() —— 在缺页异常处理路径中按需分配。
• 页表回收： pgd_free() / pud_free() / pmd_free() / pte_free() —— 在进程退出或 munmap 时释放。
• 批量回收： free_pgd_range() —— 用于释放一段虚拟地址区间对应的所有页表层级。