虚拟内存空间的物理根本可以说就是页表了，没有页表虚拟地址空间是无法幻化出让人眼花缭乱的变化。
页表的层次
当然，页表本身已经够让人眼花缭乱了。那就先让我们来看一下页表的样子先。
47 39 38 30 29 21 20 12 11 0
+------------------+------------------+------------------+------------------+---------------------+
|PML4 |Page Directory Ptr|Page Directory |Page Table |Offset |
+------------------+------------------+------------------+------------------+---------------------+
| | | |
| | | |
| | | |
| | | |
pgd_index(addr) | pud_index(addr) | pmd_index(addr) | pte_index(addr) | +----------+
| | | | | |
| | | | | |
| | | | +----------+
| | | pte_offset_map() +----> |pte |
| | | +----------+
| | | +----------+ | |
| | | | | | |
| | | | | | |
| | | pmd +----------+ | |
| | pmd_offset() +---->| *pmd |---------->+----------+
| | +----------+
| | | |
| | | |
| | | |
| | +----------+ | |
| | | | | |
| | pud +----------+ | |
| pud_offset() +---->| *pud |---------->+----------+
| +----------+
| +----------+ | |
| | | | |
| pgd +----------+ | |
pgd_offset(mm,addr)+---->| *pgd |-------->+----------+
+----------+
| |
| |
| |
mm->pgd ---> +----------+
其中最上面一行中出现的名词，如PML4，是在intel手册上的。而下方的xx_index/xx_offset是在内核代码中对应使用的名字。
当然上面这个图例已经有点过时了，这个是四层页表的情况，现在已经有五层也表了。
+-----+
| PGD |
+-----+
|
| +-----+
+-->| P4D |
+-----+
|
| +-----+
+-->| PUD |
+-----+
|
| +-----+
+-->| PMD |
+-----+
|
| +-----+
+-->| PTE |
+-----+
页表层级常用helper
首先我们从上面图中看到内核中对页表每一层都起了自己的名字：
在操作对应层级时，也有对应的helper帮助我们获取对应的信息：
xxx_index(): 获取对应层级偏移量，用来计算下级页表地址
xxx_offset(): 在xxx_index()的基础上，取出下一级的页表entry内容
xxx_alloc(): 如果已经有页表，返回结果同xxx_offset()；否则分配xxx对应层级的页表
xxx_none(): xxx对应这个entry是否为空，空说明需要分配下级页表了
xxx_present(): xxx对应这个entry是否存在，其实是看下一层页表是否存在
xxx_populate(): 安装页表，把下一层新分配的页表地址填到xxx表示的这一层
xxx_install(): 和xxx_populate()差不多，多了一个判断，最后调用xxx_populate()
页表的填写
那这张表怎么填写呢？当然途径不止一条，不过最重要的就是缺页中断了。
总的来讲就是按照虚拟地址来遍历整个页表，根据不同PTE的状态做不同的处理。
缺页中断
首先是架构相关的中断处理程序代码：
exc_page_fault
handle_page_fault
do_kern_addr_fault
do_user_addr_fault
vma = lock_vma_under_rcu() <--- 锁住对应vma
handle_mm_fault(FAULT_FLAG_VMA_LOCK) <--- 架构无关代码
vma_end_read()
... or
vma = lock_mm_and_find_vma() <--- 锁住mmap_lock
handle_mm_fault() <--- 架构无关代码
mmap_read_unlock()
架构无关代码
然后就是架构无关的缺页处理代码：
handle_mm_fault(vma, address, flags, regs)
hugetlb_fault() <--- hugetlb处理
__handle_mm_fault
// pud/pmd level
// pte level
handle_pte_fault <--- 包括PTE这层页表，和做后的page
// empty pte
do_pte_missing
do_anonymous_page
do_fault
// other1
do_swap_page
do_numa_page
// other2
do_wp_page
pte_mkdirty
pte_mkyoung
匿名页填写
页表按照映射对象来分主要是两种：
这里我们先看匿名页表 -- do_anonymous_page。
do_anonymous_page()
pte_alloc() <--- 这里会分配pte这一层页表，如果没有的话
// 如果不是写，用zero-page
entry = pte_mkspecial(pfn_pte(my_zero_pfn(), ..));
// 准备匿名映射
ret = vmf_anon_prepare()
ret = __vmf_anon_prepare(vmf)
__anon_vma_prepare(vma) <--- 分配或者查找相邻可用vma->anon_vma
return ret
// 准备真正需要映射的内存
folio = alloc_anon_folio(vmf);
// THP or not
folio_prealloc(, vma, vmf->address, true)
vma_alloc_folio(GFP_HIGHUSER_MOVABLE, ) <-- 指定了可用的zone
// 最后设置到pte页表中
set_ptes()
页表的释放
有借必有还，有写必有擦。
看过了页表构造的过程（虽然糙了点），那也该看看页表释放的过程。当然我不确定是不是有很多地方可以做释放的动作，不过下面这个函数是我找到的接口之一。
unmap_region
unmap_vmas()
free_pgtables()
其中unmap_vmas释放了真正对应的内存，而free_pgtables才释放页表。
写到这里，感觉写完了，估计是很多细节自己还不知道。没事，留着以后有新发现再来挖掘。
参考文档
Last updated