Windows页目录自映射方案

在Windows的虚拟内存管理方案中，有一个设计值得特别一提，那就是Windows页目录自映射机制。Dave Probert很早在一份讲义中提到了这一机制（称为self-mapping page tables），并且给出了清楚的解释（http://i-web.i.u-tokyo.ac.jp/edu/training/ss/msprojects/data/07-ProcessesThreadsVM.pdf，2004年7月）。

首先，看下面的一个宏：

#define MiGetVirtualAddressMappedByPte(PTE) ((PVOID)((ULONG)(PTE) << 10))

此宏的含义是，给定一个PTE的虚拟地址，返回该PTE所指页面的虚拟地址。

举例而言，假设PTE的地址（虚拟地址）为0xc0390c84，即1100,0000,00|11,1001,0000,|1100,1000,0100，这里“|”符号将它分为页目录索引、页表索引、页内偏移三部分。在Windows中，页目录（CR3寄存器）的地址是0xc0300000，所以，处理器在访问该PTE的时候，首先从页目录页面中，找到1100,0000,00项，即第0x300项。这一项由系统特别设置好，它指向页目录自身（后面进一步解释为什么这么设置）。接下来查找0xc0390c84的页表索引，即11,1001,0000，处理器继续在页目录页面中查找，找到11,1001,0000，即第0x390项，这一项指向一个页表页面。最后，处理器再根据页内偏移1100,1000,0100，即0xc84，定位到第0x321项。此PTE的寻址过程如下图所示。

 

图解说明：0x300是页目录中的偏移，通过这个偏移值得到一个目录项（PDE Page Directory Entry），通过这个目录项里的值得到了一个页表的基地址，其中0x390是页表中的偏移，通过这个偏移得到了一个页表项（PTE PageTable Entry），页表项里的值也就是我们要寻找的值。这里页目录的0x300偏移中的值和页目录的基地址是相同的，都是0xc0300000，这点是微软的巧妙设计，所以这里的页表的基地址也就是页目录的基地址了，从而此图中的0x390也是从PD中来查找的，相当于把PD当成PT了，之所以PD和PT能通用，是因为PDE和PTE的格式是兼容的原因。

按照MiGetVirtualAddressMappedByPte，将0xc0390c84，左移10位，变成0xe4321000，即1110,0100,00|11,0010,0001,|0000,0000,0000，这样得到页目录索引1110,0100,00，即0x390；页表索引为11,0010,0001，即0x321；页内偏移为0。可以看到，这里复用了PTE寻址过程中的两次查表步骤。此PTE所指页面的寻址过程如下图所示。

 

MiGetVirtualAddressMappedByPte宏之所以能够工作的关键之处在于，页目录页面（虚拟地址为0xc0300000）的0x300项指向其自身。即下图的结构。

 

由此可以明白，页目录地址0xc0300000和这里的0x300项绝不是偶然的，而是精心选择的（但并非唯一）。

我在阅读Windows内核中一段分配系统PTE的代码时，看到了MiGetVirtualAddressMappedByPte宏，百思不得其解。经过两个晚上的苦思冥想，才领悟到上述寻址结构的奥妙所在。后来整理成“Windows内核原理与实现”一书中关于Windows页目录自映射方案的描述（见第202-204页）。再后来，偶然的机会看到Dave Probert的讲义中早有提及，印证了自己的想法。