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

/* 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