页表与三级页表详解：虚拟内存管理的核心机制
页表与三级页表详解：虚拟内存管理的核心机制
在现代计算机系统中，页表是操作系统管理内存的关键机制。它不仅实现了虚拟内存到物理内存的映射，还通过三级页表的设计优化了内存使用效率。本文将深入探讨页表的概念、工作原理以及三级页表的优化机制。
页表
为什么要有页表
在操作系统中，内存分配是一个核心问题。以精简的操作系统xv6为例，整个系统主要由两部分组成：内核区（kernal）和用户区（user）。系统启动时会优先加载内核区代码并为其分配物理内存，同时用户可以在用户区自定义指令。然而，如果每个用户程序都固定分配物理内存，会导致内存不足或利用率不均等问题。因此，操作系统引入了虚拟内存的概念。
虚拟内存是系统为当前程序虚拟分配的内存空间，它不是真实存在的物理内存，而是在调用时通过映射找到对应的物理内存。这种映射关系由页表来实现，使得即使物理内存有限，各个用户程序也能通过内存映射找到对应的物理内存进行使用。同时，虚拟内存的存在也保护了内核区等重要代码的安全性。
页表介绍
在64位操作系统中，虚拟地址（Virtual Address）通常被划分为39位，其中12位用于表示页面大小（4KB），剩余27位用于表示页码。页表就是操作系统中存放了各个页面与虚拟内存映射关系的数据结构。当程序执行时，CPU通过内存管理单元（MMU）将虚拟地址（VA）转换为物理地址（PA），从而访问实际的内存单元。
页表条目
页表条目的结构如下图所示：
- Physical Page Number: 物理地址，44位，指向实际的物理内存地址
- RSV：被MMU忽略
- V：当前页表条目是否生效（valid）
- U：当前页表条目是否可以被用户空间访问
- W：当前页表条目是否可写
页表工作流程
在大多数操作系统中，物理地址只使用了56位。页表的工作流程如下：
- 程序执行时，通过虚拟地址的index获取页码信息。
- 通过页码信息在页表中查找对应的条目。
- 页表条目的44位PPN（Physical Page Number）对应物理地址的前44位，加上虚拟地址的12位offset，形成最终的物理地址。
计算单级页表的内存占用：
- 虚拟地址的页码有27位，每个页表条目为8字节
- 占用内存：2^27 * 8 bit = 1GB
虽然1GB看似不多，但如果用户程序只使用了几个页表条目，仍然需要占用1GB的内存，这显然是不合理的。因此，科学家们提出了三级页表的优化方案。
三级页表
三级页表将原来的27位页码分为三部分，每部分9位，通过多层次的页表结构来优化内存使用。
三级页表的工作流程如下：
- 通过虚拟地址的前9位页码找到第一层页目录。
- 第一层页目录包含中间页表的物理地址，通过该地址找到中间页表。
- 中间页表包含底层页表的物理地址，通过该地址找到底层页表。
- 底层页表的44位物理地址加上虚拟地址的12位offset，形成最终的物理地址。
这种设计大大节省了内存空间。例如，如果只使用了几个页面，只需要加载0号页表和相应的底层页表项，而不需要加载整个页表。
总结
页表是操作系统管理内存的核心机制，它不仅实现了虚拟内存到物理内存的映射，还通过三级页表的设计优化了内存使用效率。理解页表的工作原理对于深入理解操作系统和计算机系统至关重要。
本文原文来自CSDN博客