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深入理解页面表：从虚拟内存到物理内存的映射之旅

创作时间:

作者:

@小白创作中心

深入理解页面表：从虚拟内存到物理内存的映射之旅

引用

CSDN

https://m.blog.csdn.net/weixin_36829761/article/details/144925754

在计算机科学的世界里，页面表（Page Table）是一个至关重要的概念，它帮助我们理解如何将虚拟内存映射到物理内存。然而，这一概念常常让人感到困惑。通过对 xv6 操作系统的深入研究，我们可以将页面表视为一种特殊的哈希表，并逐步揭开它的神秘面纱。

🗺️ 什么是页面表？

页面表是一种专门的哈希表，用于将连续的虚拟内存映射到连续的物理内存。为了实现这一点，我们可以使用一个大型数组来存储页面表。多级页面表的引入则进一步优化了内存使用，允许我们进行懒惰的内存分配。

页面表的基本结构

在计算机中，虚拟内存和物理内存之间的映射是通过页面表来实现的。每个进程都有自己的页面表，这些页面表记录了虚拟地址与物理地址之间的关系。通过这种方式，操作系统可以有效地管理内存，确保每个进程都能获得所需的资源。

🛠️ 步骤一：将连续的虚拟内存映射到连续的物理内存

首先，我们需要简化问题，即将虚拟内存映射到物理内存。在编程中，我们可以使用哈希表来实现这一点。以下是一个简单的 C 语言示例，展示了如何通过哈希表实现虚拟地址到物理地址的映射：

uint64 virtual_memory_to_physical_memory(uint64 virtual_addr) {
  // 每个进程都有自己的哈希表，将相同的虚拟内存映射到不同的物理内存。
  HashMap map = current_process_map();

  return map[virtual_addr];
}

空间局部性与页面的概念

由于空间局部性，我们倾向于将连续的虚拟内存映射到连续的物理内存。为了实现这一点，我们将虚拟内存划分为较小的单元，称为页面（Page）。在一个页面内，所有的虚拟内存都映射到同一个物理内存页面，这样不仅满足了性能要求，还允许我们懒惰地分配物理内存。

假设页面大小为 4KB，那么虚拟地址的最后 12 位对于确定索引是无关紧要的。我们可以通过以下代码计算页面表的索引：

uint64 index = virtual_addr >> 12;

完整的映射函数

将虚拟地址转换为物理地址的完整函数如下：

uint64 virtual_addr_to_physical_addr(uint64 virtual_addr) {
  HashMap page_table = current_process_map();
  uint64 index = virtual_addr >> 12;
  uint64 offset = virtual_addr & 0xFFF;

  return page_table[index] + offset;
}

在这个函数中，我们首先从当前进程获取页面表，然后计算出虚拟地址的索引和偏移量，最后返回物理地址。

🏗️ 步骤二：在内存中表示页面表

接下来，我们需要考虑如何在内存中表示这个哈希表。由于 virtual_addr_to_physical_addr 函数将不同的虚拟地址映射到物理页面的起始地址，并且这些索引是连续的，因此我们可以使用数组来表示哈希表。每个数组项就是一个页面表项（Page Table Entry, PTE）。

在内存中，页面表的结构可以如下所示：

+---+
| Page Table Entry  |
+---+
| Page Table Entry  |
+---+
| Page Table Entry  |
+---+

🌐 步骤三：多级页面表

从上面的图示中，我们可以看到一个明显的问题：即使大多数虚拟内存可能未被使用，仍然需要分配一个庞大的页面表。例如，要将 64GB 的虚拟内存映射到 4KB 的页面，我们需要一个长度为 64

1024

64 \times 1024 \times 1024 / 4 = 2^{24}

的数组。如果每个条目需要 8 字节，则页面表将占用 32MB 的内存。

为了减少内存使用，我们可以使用多级页面表。例如，采用二级页面表的设置，根页面表的条目可以指向二级页面表。使用 4KB 的页面来存储页面表，每个页面可以包含 2

2^{12}

个地址，指向其他页面表。每个二级页面表可以映射 512

512 \times 4 \text{KB} = 2 \text{MB}

的虚拟内存。因此，一个根页面表可以映射 2

512

1024

2 \times 512 = 1024 \text{MB}

或 1GB 的虚拟内存。二级页面表的内存仅在必要时分配。

二级页面表的映射函数

二级页面表的完整映射函数如下：

uint64 virtual_addr_to_physical_addr(uint64 virtual_addr) {
  uint64 *root_page_table = current_process_map();
  uint64 root_index = (virtual_addr >> (9 + 12)) & 0x1FF;

  uint64 *page_table = root_page_table[root_index];
  uint64 page_table_index = (virtual_addr >> 12) & 0x1FF;

  uint64 offset = virtual_addr & 0xFFF;

  return page_table[page_table_index] + offset;
}

在这个函数中，我们首先获取根页面表，然后计算根索引和页面表索引，最后返回物理地址。通过这种方式，我们有效地减少了内存的占用。