为什么 Linux 有 4 层“页表”以及它是如何工作的

Question

我正在尝试根据这些说明来理解页面布局，刚刚开始学习操作系统，所以我有点不知所措。 具体来说是这样的：

在 linux 中有 4 个“级别”的页表。 一个表由一组 pXX_t 类型的条目组成，包装了一个 pXXval_t：

1. 页面全局目录 (PGD) - pgd_t/pgdval_t 。
2. 页上层目录 (PUD) - pud_t/pudval_t 。
3. 页中间目录 (PMD) - pmd_t/pmdval_t 。
4. 页表入口目录 (PTE) - pte_t/pteval_t 。

这些类型只是对基本架构相关类型的 typedef 包装，将所有 x86-64 类型聚集在一起......

然后他们画了这个：

    6         5         4         3         2         1
4321098765432109876543210987654321098765432109876543210987654321
0000000000000000000000000000000000000000101100010111000000010000
[   RESERVED   ][  PGD  ][  PUD  ][  PMD  ][  PTE  ][  OFFSET  ]
                         |        |        |        |-PAGE_SHIFT
                         |        |        |-----------PMD_SHIFT
                         |        |--------------------PUD_SHIFT
                         |---------------------------PGDIR_SHIFT

它仍然在我的脑海中，尤其是所有的缩写词等等。

可以用稍微温和的术语解释一下我们在这里到底有什么吗？ 我想在 JS 操作系统中实现虚拟内存分页，以模拟一种真实的操作系统。 我想知道正在使用哪些结构以及它们在内存本身中的实际外观（或者如果通过汇编完成，则更容易使用来解释/教授）。

所以此刻我正试图弄清楚如何（在 JavaScript 中）使用1 个数组来管理多个进程的所有内存。 没有欺骗和使用其他 JavaScript 数组或对象或其他任何东西，只有 1 个数组，然后是整数。 我一直在试图弄清楚如何在内存中创建一个数组（一段内存），而不使用数组哈哈。 然后为了让它更复杂，我需要在这个 1 数组中创建页面，这些页面映射到每个进程允许的内存部分。 我试图详细地弄清楚如何做到这一点，这些笔记是我最接近真实地看到它完成的，但它们有点太详细了。 想知道是否可以稍微简化一下解释，并帮助描绘如何在单个数组中创建页面/流程映射的图片。 解释这个 Linux 系统将有助于形象化这一点。

Answer 1

这是虚拟内存。

具体来说，Linux 使用 x86-64 硬件页表布局将一个进程的虚拟地址空间映射到物理内存，并在该 ISA 上运行时具有页面粒度。 为什么在 64 位中虚拟地址比物理地址（52 位长）短 4 位（48 位长）？ 有图。

它是一个基数树，将地址分成 9 位块，具有 12 个页面偏移位。 （12 + 4*9 = 48 位虚拟地址，需要正确符号扩展到 64 位）。 32 位 x86 页表使用 2 个级别，每个级别为 10 位（12 + 2*10 = 32 位虚拟地址）。

在 TLB 未命中时，硬件遍历此表以到达 PTE（页表条目）或“无效”条目，在这种情况下它会引发 #PF 异常。

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通过你的其他问题来看，你应该很久以后把这个您的待办事项清单上，你明白喜欢一个堆栈是如何工作的基本知识后。

只是模拟一个进程，而不是整个系统，所以你只需要考虑它的私有地址空间。 在真实的操作系统下，进程的地址空间是虚拟的，直接对应一个大的JS数组。 所以每个进程都有一个 JS 数组，保存它的内存（并单独注册，或作为该数组的一部分）。

这基本上是将虚拟内存留给 JS 实现，因为您在 JS 上运行而不是在真正的硬件上。

除非您正在为某些实际硬件 ISA 编写完整的模拟器，否则这应该很好。

CPU 使用专用硬件（TLB）来缓存翻译。 在 JS 中，您需要通过映射函数来间接访问每个内存，这会使您的源代码非常痛苦。 您可以通过使用 map/dictionary 数据结构而不是实际的页表来使用 TLB 的 JS 版本。

IDK，如果您可以使用try{}catch执行任何操作以对应页面错误。 try{}catch

也许还可以考虑使用 TypedArray 来获得相同底层缓冲区的不同“视图”？ IDK 如何帮助模拟带有漏洞的非连续虚拟内存。 我认为在 JS 中，你会希望你的“进程”保持它们的虚拟内存使用非常密集/连续，否则你可能会浪费大量内存（并且不检测对“未映射”页面的访问）。