Linear Page Table: 更方便地访问页表
Linear page table又叫virtual page table，是一种方便虚拟机监控器(VMM)/操作系统(OS)/应用程序访问页表的技巧。Xen、64位Linux内核、JOS操作系统中都用到了这种技巧。这里以x86_32的虚拟内存管理为例，简单介绍一下它的实现和使用，如有错误敬请指出。
一般情况下，如果OS需要访问某个页表，需要将它映射到自己的虚拟空间中，然后再访问。这样带来两个问题，一是访问比较繁琐，需要临时的页映射；二是对于Exokernel这种fork等行为都是在用户态程序实现的系统，可能会增加一下安全上的问题。因为用户程序在fork的时候需要访问自己的页表，而这时候除非操作系统提供另一些权限控制更精确的系统调用，否则就很难让不可信的应用程序访问自己的页表且不做有害的改动。
Linear page table很好的解决了这两个问题。它的实现很简单，只需要在页目录中增加一项VPT，和一般的页目录项不同的是，这个VPT指向的是页目录本身。
这样带来了什么好处呢？借用一下MIT 6.828课件上的图片来更好的说明这个问题
增加了VPT后，通常的物理地址->虚拟地址的转换还是没变。和之前唯一的不同在于虚拟地址的页目录索引号(PDX)为之前设置的VPT的时候。
举个例子来说，假如现在要访问的虚拟地址是(VPT << 22) | (VPT << 12)，即这里的PDX和PTX都等于VPT的时候，整个转换过程是怎么样的呢（假设TLB miss的情况）？首先根据cr3中的物理地址，硬件开始查找页目录中的第VPT项，然后根据这一项中的物理地址，找到了下一级“页表”。注意这时候硬件以为自己得到的页表地址，实际上访问的还是页目录本身。同样，在这个“页表”中找到第VPT项指出去的最终页，得到了最终页的物理地址。因为PTX还是等于VPT，所以最后得到的物理地址还是页目录的。
也就是说，通常的页表访问的顺序是 CR3->页目录->页表->最终页，现在访问这个特殊地址的过程则成了 CR3->页目录->页目录->页目录，通过VPT这一项在页目录上绕了两圈后返回。
接下来，再来看看如何通过这个机制来访问某个页表，假如现在要访问第i个页目录项指向的页表上的第j项，那么我们应该构造这样一个特殊地址：
(VPT << 22) | (i << 12) | (j * 4)
即PDX=VPT, PTX=i, offset=j*4。通过这个地址就能得到需要的页表项了，另外由于(i << 12) | (j * 4) = (i * 1024 + j) * 4，定义vpn为虚拟页的编号，vpn = i * 1024 + j，则这个地址可以转换为
(VPT << 22) + vpn * 4
在JOS中，就是把vpt定义为一个uint32_t的数组，然后vpt[vpn]就是第vpn个虚拟页的页表项了。前面提到的另一个问题，如果要让用户以只读权限访问页表，又应该怎么做呢？很简单，在页目录中为用户设置另一个只读项，指向页目录自己就行了。
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嗯。硬件以为正常访问了l2 l1和data page各一次，实际通过l2上的自环映射，访问了两次l2 page。
[Reply]
hyj
19 Feb 10 at 5:26 pm