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Linuxのページテーブルが見当たらないときがある

目次: Linux

Linuxのページディレクトリを見ていると0xc000 0000以降（※）はページディレクトリエントリがあるのに、その先のページテーブルがありません。なぜこれで動くんでしょう？

調べてみると、なるほど、トリックがありました。

LinuxはCR4のPSEビット（Page Size Extension、ビット4）を1にして、4MB/4KBどちらのサイズでも使えるようにしています。

確かめ方は、右Alt + ScrLockを押してレジスタダンプすると簡単でしょうか？以下のようなメッセージが出るはずです。Pentium Proから導入されているはずですので、未対応というのはそうそうないかと…。

Pid: 0, comm:              swapper
EIP: 0060:[<c01019bd>] CPU: 0
EIP is at default_idle+0x31/0x59
 EFLAGS: 00010246    Not tainted  (2.6.18-6-486 #1)
EAX: 00000000 EBX: 00000800 ECX: c1101040 EDX: c030e000
ESI: 00099100 EDI: c0302800 EBP: 003a7007 DS: 007b ES: 007b
CR0: 8005003b CR2: c02bd7f4 CR3: 07175000 CR4: 00000690
 [<c0101a1c>] cpu_idle+0x37/0x4c
 [<c03105fa>] start_kernel+0x270/0x272

肝心なのはCR4レジスタの値です。CR4レジスタが0x0000 0690、2進数だと0110 1001 0000ですから、ビット4（ビット0から数えるので、右から5番目）のPSEビットが1になっていることが分かります。

（※）カーネルが使うリニアアドレス用のマッピングで、物理メモリ先頭896MB分を仮想アドレス0xc000 0000へマップしています。
物理: 0x0000 0000 .... 0x37ff ffff
リニア: 0xc000 0000 .... 0xf7ff ffff
というマッピングです。

二種類のページ

じゃあ4MBと4KBの区別はどこでやってるのさ？というと、ページディレクトリテーブルの要素である、ページディレクトリエントリでやっています。インテルのマニュアルによれば、ページディレクトリエントリの構成は以下のようになっています。

32ビットx86のページディレクトリエントリ

細かい説明は後述しますが、PSビット（Page Size、ビット7）が1になっていれば4MBのページを指し、0ならば4KBのページを使うことを意味します。

128MBの実メモリを割り当てた仮想マシン上でLinuxを起動して、適当なプロセスのページテーブルをダンプしてみると、768要素目から以下のようなページディレクトリエントリが見受けられます。

128MBしか実メモリがないので、768〜799番目（4MB x 32ページ）までしか値が埋まりません。余った800番目以降は別の用途に使われます。

  768: 0x000001e3, 0x004001e3, 0x008001e3, 0x00c001e3, 
  772: 0x010001e3, 0x014001e3, 0x018001e3, 0x01c001e3, 
  776: 0x020001e3, 0x024001e3, 0x028001e3, 0x02c001e3, 
  780: 0x030001e3, 0x034001e3, 0x038001e3, 0x03c001e3, 
  784: 0x040001e3, 0x044001e3, 0x048001e3, 0x04c001e3, 
  788: 0x050001e3, 0x054001e3, 0x058001e3, 0x05c001e3, 
  792: 0x060001e3, 0x064001e3, 0x068001e3, 0x06c001e3, 
  796: 0x070001e3, 0x074001e3, 0x078001e3, 0x07c001e3, 
  800: 0x00000000, 0x00000000, 0x07baf067, 0x00000000, 

772番目を例に取ると、0xc100 0000〜0xc13f ffffの4MB分のアドレスをマップしています。0x010001e3は2進数だと0001 0000 0000 0000 0001 1110 0011ですので、先ほどの図に当てはめてみると、

ビット0: P（存在）: 1

4KBページの時はページテーブルがロードされていることを表します。4MBページの場合はページが存在していることを表します。

ビット1: R/W（読み取り/書き込み）: 1

0は読み取り専用、1なら書き込み可能であることを表します。
CR0のWPビット（書き込み保護、ビット16）を1にすると、スーパバイザからユーザの書き込み禁止ページに書き込んだときに、ページフォルト例外が発生するようになります。コピーオンライト機能の実現に役立ちます。

• ページテーブルエントリEAが指すページAをコピーせよという命令に対し、実際はコピーせず、エントリEAを読み取り専用にし、さらに同じページを指すエントリEBを読み取り専用で作ります。
• 読み取り時
  • エントリEAの指すページAへの読み取りは今まで通りです。
  • エントリEBは書き込みがない限りページAと同じ内容なので、読み取りだけならばエントリの指すページを変更する必要はありません。
• 書き込み時
  • エントリEAの指すページAに書き込もうとすると、ページフォルト例外を発生させてページをコピーし、ページA' を作ります（書き込み時のコピー、コピーオンライト、COWとも）。
    以降はエントリEAは書き込み可能、指す先はページA' です（EA -> A', EB -> A）。
    そうしないとエントリEBが指すページAを使っている人が混乱します。エントリEBを使っている人から見ると、何もしていないのに（エントリEAの指すページAへの書き込み発生時に）勝手にページの内容が変わったように見えます。
  • 同様にエントリEBの指すページAに書き込もうとしても、ページフォルト例外が発生します。そのとき初めてページAの複製、ページBを作ります（コピーオンライト）。
    以降、エントリEBは書き込み可能、指す先はページBに変更されます。(EA -> A, EB -> B)
    ただし既にエントリEAがページAを指していないことが分かっているなら、コピー作業は無駄なのでしません。エントリEBはページAを指したままで、書き込み可能に変更されるだけです（EA -> A', EB -> A）。

ビット2: U/S（ユーザ/スーパバイザ）: 0

0はスーパバイザ用の領域を意味し、1はユーザ/スーパバイザ用の領域を意味します。

ビット3: PWT（ページライトスルー）: 0

0ならページへの書き込み時に、可能ならキャッシュのみを更新（ライトバック方式）します。1にするとキャッシュとメモリを同時に更新（ライトスルー方式）します。PCDが1のときは、そもそもキャッシュを使わないので無意味です。

• CR0のNWビット（非ライトバック、ビット29）が1だと、ライトスルー方式が採用されます。こちらが優先です。
• CR3のPWTビット（ページライトスルー、ビット3）が1だと、ライトスルー方式が採用されます。これはページディレクトリエントリだけのキャッシュ方式に適用されます。

しかしMTRRの設定とも関係します。ライトバックとライトスルーの設定がかち合ったときは、ライトスルーが優先されます。

ビット4: PCD（ページキャッシュ無効）: 0

0にするとページをキャッシュします。1にするとページをキャッシュしなくなります。I/Oメモリなど、キャッシュしても意味がない領域などに使うそうです。

• CR0のCDビット（キャッシュ無効、ビット30）が1だと、メモリに対するキャッシュ全てが無効になります。こちらが優先です。
• CR3のPCDビット（ページキャッシュ無効、ビット4）が1だと、ページ単位のキャッシュは無効になります。これはページディレクトリエントリだけのキャッシュ方式に適用されます。

キャッシュの設定はMTRRの設定とも関係します。ライトバックとライトスルーがかち合ったときは、ライトスルーが優先されます。

ビット5: A（アクセス）: 1

ページ番号が指しているページに読み込み、書き込みがあると1にセットされます。

ビット6: D（ダーティ）: 1

ページ番号が指しているページに書き込みがあると1にセットされます。

ビット7: PS（ページサイズ）: 1

0なら4KBページ、1なら4MBページを表します。ページディレクトリエントリ（一段目のテーブル）だけで有効です。
Linuxではページテーブル（二段目のテーブル）でアクセス権のないページを表すために、Pビットと合わせて使っています（当然CPUは無視します）。P:PS = 0:0なら存在しないページ、P:PS = 0:1ならアクセス権のないページを表します。
（4KBページ、ページテーブルエントリ（二段目のテーブル）のみ）Pentium Pro以降であれば、このビットはPATビットを表します。このビットが1であればPCDおよびPWTの2ビットで4つのメモリ属性（ライトバック、ライトスルー、MTRR優先のキャッシュ無効、MTRR上書きのキャッシュ無効）を表します。このビットが0であれば、従来と同じです。

ビット8: G（グローバル）: 1

0ならTLBフラッシュの時に消されます、1なら消されずにずっと残ります。
CR4のPGEビット（グローバルページ有効、ビット7）を1にしないと意味がありません。

ビット12: PAT（ページ属性テーブル）: 0

（4MBページのみ）0ならPAT機能を無効にして、1ならPAT機能を有効にします。

ビット31-22: ページ番号: 4（0x4）

先頭から16MB（4MB x 4個目）の位置にある4MB分の領域（0x0100 0000〜0x013f ffff）をマップすることを表します。

なぜ使い分けるのか

4MBのページングを使っているのはカーネル用のリニアアドレス（0xc000 0000〜）だけのようです。他のページディレクトリエントリにはPSビットが設定されていません。ページ番号の指す先には、もう一段ページテーブルがあり、その先にやっと4KBのページがあります。

理由ですが、インテルのマニュアルによると4MBと4KBのページは別のTLBに置かれるので、カーネルのように頻繁に使うコードやデータは4MBページに置いておくと、フラッシュされなくて良いよ、ってなことが書いてあります。また、ページサイズが大きければTLBミスも少ないよ、ってな解説もあります。恐らくそんな理由です。

あるプロセスのページディレクトリテーブル

絵にしてみるとこんな感じでしょうか。間違ってるかも…。

サイズはアドレスの範囲を意味するのではなくてテーブル自体の大きさのことです。ページディレクトリテーブル（一段目のテーブル）も、ページテーブル（二段目のテーブル）も 4バイトx 1024要素なので同じ4KBですよ、って言いたかっただけです。