Linux swapper_pg_dir

在Linux内核中，swapper_pg_dir 是一个关键的数据结构，用于管理系统的页表（Page Tables）。以下是详细解释：

1. 定义与作用

  • 初始内核页表：swapper_pg_dir 是内核启动时使用的 顶级页全局目录（Page Global Directory, PGD）。它在系统引导阶段初始化，负责建立内核空间的初始虚拟地址到物理地址的映射。
  • 内核空间映射：它直接映射内核代码、数据、设备内存（如vmalloc区域）等核心区域。所有进程共享内核空间的映射，因此swapper_pg_dir 的内核部分在进程切换时保持不变。

2. 生命周期与使用场景

  • 引导阶段：在系统启动时（如start_kernel()函数），内核通过swapper_pg_dir启用分页机制（MMU）。此时它提供临时的1:1线性映射（物理地址 = 虚拟地址 - 固定偏移）。
  • 运行时：系统初始化完成后，内核切换到完整的页表结构，但swapper_pg_dir仍保留：
    • 作为 内核主页表，为所有进程的内核空间提供统一映射。
    • 在进程切换时，用户空间的页表（PGD）会变化，但内核部分通过复制swapper_pg_dir的映射项保持一致性。

3. 代码中的位置

  • 架构相关实现：
    • x86_64：定义于arch/x86/mm/pgtable.c，符号swapper_pg_dir。
    • ARM64：定义于arch/arm64/kernel/vmlinux.lds.S（链接脚本），作为初始页表的存储位置。
  • 初始化：在paging_init()函数中填充页表项（如映射内核镜像、设备树等）。

4. 与进程页表的关系

每个进程的task_struct->mm_struct->pgd指向其私有页表：

  • 用户空间：独立映射，进程隔离。
  • 内核空间：直接从swapper_pg_dir复制而来（如fork()时通过pgd_alloc()复制内核部分），确保所有进程访问相同的内核地址。

5. 高级优化

  • 共享映射：现代内核（如x86_64的KAISER补丁后）使用独立的内核页表（init_top_pgt），但原理类似——仍存在全局内核页表。
  • TLB刷新：修改swapper_pg_dir时需广播TLB刷新（如flush_tlb_all()），保证多核一致性。

示例代码片段（x86_64）

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// arch/x86/include/asm/pgtable_64_types.h
extern pud_t level3_kernel_pgt[512];
extern pmd_t level2_kernel_pgt[512];

// arch/x86/mm/pgtable.c
pgd_t swapper_pg_dir[PTRS_PER_PGD] __page_aligned_bss = {
    [0 ... PTRS_PER_PGD - 1] = INIT_PGD
};

总结

swapper_pg_dir 是 内核空间的全局页表根目录，核心作用包括：

  1. 引导阶段提供初始内存映射。
  2. 运行时作为所有进程共享的内核空间映射基准。
  3. 确保高效、一致的内核地址访问。

理解它对分析内存管理（如mm/目录代码）、进程切换及硬件交互（MMU/TLB）至关重要。