linux Page Table 和 TLB 操作总结

以下是 Linux 内核中与页表和 TLB 操作对应的主要 API/函数列表,结合上述操作分类:


页表(Page Table)相关 API

1. 地址转换

操作 内核 API/函数 说明
虚拟地址→物理地址 virt_to_phys()、__pa() 内核虚拟地址转物理地址
物理地址→虚拟地址 phys_to_virt()、__va() 物理地址转内核虚拟地址
页表遍历 pgd_offset()、p4d_offset()、pud_offset()、pmd_offset()、pte_offset_map() 多级页表各级索引获取
获取页表项 pte_t *pte = pte_offset_kernel(pmd, addr) 获取内核地址的 PTE

2. 页表项管理

操作 内核 API/函数 说明
创建页表 pgd_alloc()、pud_alloc()、pmd_alloc()、pte_alloc() 分配各级页表结构
设置映射 set_pte_at()、set_pmd()、set_pud() 设置页表项内容
建立映射 remap_pfn_range()、vm_insert_page()、io_remap_pfn_range() 建立虚拟到物理映射
删除映射 pte_clear()、pmd_clear() 清除页表项
释放页表 pgd_free()、pte_free() 释放页表内存

3. 权限与状态检查

操作 内核 API/函数 说明
检查有效位 pte_present() 检查页面是否在内存中
检查权限 pte_write()、pte_read()、pte_exec() 检查读写执行权限
设置权限 pte_mkwrite()、pte_wrprotect()、pte_mkexec() 修改 PTE 权限位
访问/修改位 pte_young()、pte_dirty() 检查访问/修改位
标记访问/修改 pte_mkyoung()、pte_mkdirty() 设置访问/修改位

4. 缺页处理

操作 内核 API/函数 说明
缺页异常入口 handle_mm_fault() 缺页异常主要处理函数
调页 do_swap_page()、do_anonymous_page()、do_wp_page() 不同类型缺页处理
页面分配 alloc_page()、__get_free_page() 分配物理页面

5. 页表切换

操作 内核 API/函数 说明
切换页表 switch_mm() 进程上下文切换时切换页表
设置页表基址 load_cr3()(x86) 加载新页表基址到 CR3

TLB 相关 API

1. TLB 刷新(一致性维护)

操作 内核 API/函数 说明
单页刷新 flush_tlb_page()、flush_tlb_mm_range() 使指定虚拟地址的 TLB 项无效
进程空间刷新 flush_tlb_mm() 使指定进程所有 TLB 项无效
全局刷新 flush_tlb_all() 使所有 TLB 项无效(全系统)
跨CPU刷新 flush_tlb_kernel_range() 刷新内核地址范围的 TLB(所有CPU)

2. TLB 刷新优化

操作 内核 API/函数 说明
延迟刷新 tlb_gather_mmu()、tlb_finish_mmu() 批量 TLB 刷新优化
范围刷新 flush_tlb_range() 刷新指定地址范围的 TLB

3. 架构相关 TLB 操作

操作 内核 API/函数 说明
x86 TLB 刷新 __flush_tlb_one()、__flush_tlb_all() x86 架构特定 TLB 操作
ARM TLB 操作 flush_tlb_all()、local_flush_tlb_all() ARM 架构实现
TLB 射击 smp_call_function() + TLB 刷新 多核间 TLB 一致性维护

内存映射相关 API(综合操作)

操作 内核 API/函数 说明
建立内存映射 mmap() 系统调用 → do_mmap() 用户空间内存映射
取消映射 munmap() → do_munmap() 解除内存映射
改变保护 mprotect() → do_mprotect_pkey() 修改页面保护权限
同步映射 msync() → do_msync() 同步内存与文件内容

关键数据结构

数据结构 说明
struct mm_struct 进程内存描述符,包含页表基址等信息
struct vm_area_struct 虚拟内存区域描述符
pgd_t、p4d_t、pud_t、pmd_t、pte_t 各级页表项类型
struct page 物理页面描述符

使用示例

c 复制代码
/* 建立页表映射示例 */
pte_t *pte;
spinlock_t *ptl;
pte = pte_offset_map_lock(mm, pmd, addr, &ptl);
if (pte_present(*pte)) {
    /* 页面存在 */
    pte_mkdirty(*pte);  /* 标记为脏 */
    pte_mkyoung(*pte);  /* 标记为访问过 */
}
set_pte_at(mm, addr, pte, pte_mkwrite(pte_mkdirty(pte_mkyoung(*pte))));
pte_unmap_unlock(pte, ptl);

/* TLB 刷新示例 */
flush_tlb_page(vma, addr);  /* 刷新单个页面 */

总结表

操作类别 页表 API 示例 TLB API 示例
地址转换 virt_to_phys()、pte_offset_map() -
映射管理 set_pte_at()、pte_clear() -
权限检查 pte_write()、pte_present() -
缺页处理 handle_mm_fault()、do_swap_page() -
一致性维护 - flush_tlb_page()、flush_tlb_all()
批量优化 - tlb_gather_mmu()、tlb_finish_mmu()
上下文切换 switch_mm() 通常包含在 switch_mm() 中

这些 API 主要位于以下内核文件中:

  • include/asm-generic/pgtable.h
  • arch/x86/include/asm/pgtable.h
  • arch/x86/mm/tlb.c
  • mm/memory.c
  • mm/mmap.c

实际使用中需注意架构差异和内核版本变化。

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