很多人误以为分页只是给用户进程准备的，实际上 Linux 内核代码、内核数据同样跑在分页机制之上，内核拥有一套常驻的内核页表 swapper_pg_dir，不管当前 CPU 在执行内核态还是用户态，内存访问全部走 MMU 地址翻译；区别只是用户进程各自持有独立页表，切换任务时更换 CR3，而内核空间映射在所有进程页表里共享，内核依靠这套分级页表完成虚拟地址到物理页帧的转换，同时拿到内存保护、按需分配、大页映射、物理内存隔离这些能力，如果没有分页，高地址内核虚拟空间、高端内存映射、内存隔离都没法实现。早期启动阶段内核还没打开分页，只用恒等映射临时跑代码，一旦准备好初始页表，设置 CR0 的分页位之后，内核自己就进入虚拟地址世界，后续所有内核代码、内核栈、slab、vmalloc、直接映射区，全部由分页进行管理；如果内核不使用分页，就只能在有限物理地址空间裸跑，无法支持 64 位巨大地址空间，也没法使用大页降低 TLB 压力。整套流程从启动临时恒等映射开始，搭建 swapper_pg_dir，建立内核直接映射区、vmalloc 区域、固定映射区，之后每一次内核内存分配，都会填充或者修改页表项，缺页异常处理函数也同时服务内核侧与用户侧；内核页表同样支持大页，对内核代码段使用 2M、1G 大页，可以减少页表层级，降低 TLB miss，提升访问速度。就算内核使用共享内核映射，内核态访问内存依然会触发页故障、TLB 刷新，并不是绕过 MMU。
- Linux 内核分页核心组件清单
- swapper_pg_dir：内核主全局页目录，也就是内核基础页表，所有进程页表都会挂载这份内核映射
- PGD / P4D / PUD / PMD / PTE：五级分级页表，现代 Linux 默认五级分页，硬件不支持时层级会折叠
- PFN：页帧号，用来标记物理内存页，内核绝大部分内存管理逻辑基于 PFN 运转
- 直接映射区：线性映射物理内存，虚拟地址减去固定偏移就能拿到物理地址
- vmalloc 区域：用于非连续物理内存分配，依靠分页把零散物理页拼成连续虚拟地址
- 固定映射区：少量需要精确虚拟地址的内核结构，比如 IO 寄存器映射
- 用户进程页表与内核页表对比表
- 内核开启分页的启动步骤
| 项目 | 用户进程页表 | 内核常驻分页（swapper_pg_dir） |
|---|---|---|
| 归属 | 每个进程一份，存放在 mm_struct | 全局唯一内核页目录，永久存在 |
| 切换 | 进程切换更换 CR3，页表随之切换 | 内核空间映射在全部页表共享 |
| 访问权限 | 可执行、可读、可写，按页做保护 | 内核页默认高权限，禁止用户态访问 |
| 缺页来源 | 程序代码、堆、栈、文件映射 | vmalloc、设备映射、内核大页、缺页加载 |
| 大页支持 | 支持透明巨页 THP | 支持内核内置大页，用于代码段、直接映射区 |
- 刚上电时 CPU 在实模式，没有分页，直接使用物理地址。
- 进入保护模式，搭建临时恒等映射，虚拟地址等于物理地址，用来准备初始页表。
- 初始化 swapper_pg_dir，填充直接映射区，把物理内存映射到内核虚拟地址空间。
- 将页目录基址写入 CR3，打开 CR0 的分页标记，MMU 正式启用分页翻译。
- 调用 start_kernel，继续初始化内存管理、slab、vmalloc、缺页异常处理。
- 创建第一个用户进程，复制内核侧共享映射，再单独填充用户私有页表。
- 内核分页的四大作用
- 地址空间扩展：依靠虚拟地址，突破物理内存限制，支持 64 位超大寻址空间。
- 内存隔离保护：内核空间对用户态不可访问，防止用户程序篡改内核数据。
- 非连续内存组装：vmalloc 使用分页，把分散的物理页拼成连续虚拟内存。
- TLB 优化：使用内核大页，减少页表条目，降低 TLB 缺失带来的性能损耗。
- 容易踩的认知误区
- 误区一：内核跑在物理地址，不经过 MMU。只要分页打开，内核所有内存访问都走 MMU。
- 误区二：切换进程的时候，内核页表会重建。内核映射是共享的，只切换用户侧部分。
- 误区三：直接映射区就等于关闭分页。直接映射只是线性映射，依然是页表管理。
- 误区四：内核不会触发缺页。vmalloc、按需加载、设备映射都可以触发内核缺页异常。
常见问题
问题 1：Linux 内核自身使用分页机制，内核的基础页表叫什么？
回答 1：Linux 内核自身使用分页机制，内核基础全局页目录名为 swapper_pg_dir，它保存内核空间的基础映射，每一个用户进程的页表都会复用这份内核映射。
问题 2：Linux 内核开启分页机制之后，直接映射区还属于分页管理吗？
回答 2：属于，Linux 内核开启分页机制之后，直接映射区只是虚拟地址和物理地址保持固定偏移，底层依然由分级页表管理，并不是绕过分页。
问题 3：Linux 内核自身使用分页机制，切换进程时内核映射会跟着更换吗？
回答 3：不会，Linux 内核自身使用分页机制，内核空间映射在所有进程页表里共享；进程切换只会更换用户私有映射，内核部分保持不变。
问题 4：Linux 内核自身使用分页机制，能不能在内核侧使用大页优化性能？
回答 4：可以，Linux 内核自身使用分页机制，内核代码段、直接映射区都可以配置大页，减少页表项数量，降低 TLB 缺失，加快内核内存访问。
参考资料
[2026-10-11]（Linux 五级分页与 swapper_pg_dir 详解）内核之旅
[2026-09-22]（Linux 页表官方文档）The Linux Kernel Archives
[2026-08-05]（x86 内核启动与分页开启流程）LWN.net
[2026-06-18]（Linux 内核虚拟内存与分页原理）21ic 电子网
免责声明
本文全部内容来自 Linux 官方内核文档、开源内核资料与技术社区解读，仅作为 Linux 分页机制学习参考；不同架构、内核版本分页层级、内存布局存在差异，x86、ARM、RISC-V 的页表流程不完全一致；如果用于驱动开发、内核调试，请以对应版本内核源码以及官方文档为准。