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Linux : 页表

news 来源：原创 2025/8/22 23:07:27

一前言

二深入理解页表

三页表的实际组成

四总结

一前言

页表是我们之前在讲到Linux : 进程地址空间-CSDN博客的时候说到的，它是物理内存到进程程序地址空间的一个桥梁，通过它，物理内存的数据和代码才能映射到进程的程序地址空间中，在信号内核态和用户态这一节我们又提到了内核空间的页表，讲到了该内核级页表不同于前面说的用户级页表是每个进程都有的，内核级页表整个系统只有一份。但是之前我们对页表的理解还都处于一个比较简单的层面，事实上页表的实现还是比较复杂的，这次我们深入理解一下页表构成及功能。

二深入理解页表

这是我们之前所理解的简化版的页表，我们将页表的映射功能抽象成了两栏，实际上页表并不只有简单的两栏，其比较复杂，且不是用一张表就可以表述出来的。

为了方便理解，我们暂且对复杂的页表结构做简单抽象，以一级页表来表示

RWX权限：我们知道Linux中一切皆文件，这里即我们所熟知的读、写、执行权限，表示的是进程对物理内存的访问权限 。
U/K权限：U表示User，K表示Kernel,即表示的用户和内核，就是在内核中的信号一篇中提到的用户态和内核态，用以区分访问内存的用户权限和内核权限。
是否命中：当CPU需要访问指定内存的数据的时候，会用虚拟地址通过页表向物理内存中查询数据。但是程序中的数据不是一下子全部加载到物理内存的，即页表中可能不存在指定的物理内存，所以CPU需要访问数据的时候，可能会存在一次找不到的情况，称为未命中。

三页表的实际组成

我们以32位环境为例，即进程地址空间和物理内存最大都为4GB，如果使用一级页表（即只使用一张页表），想要将虚拟地址空间和物理地址一一对应下来，这个页表需要储存多少行条目？

如果页表的一行只表示一个地址，那么32位的计算机就有着2的32次方个地址，然而页表中的一行不止存储一个地址，还要存储是否命中，RWX权限，U/K权限，且在32位环境下地址的大小为4字节，所以页表中一行条目的大小是12个字节，要存储所有的地址的话这个页表得有多大呢？2^32 * 12 = 34,359,7，单位是字节，一共是48GB，而我们的物理内存最大才是4GB.很明显，以一级页表来将虚拟内存对应的物理内存全部映射到是不可能的。所以事实上，在操作系统中的页表是多级页表，在32位系统中，采用的是两级页表的形式。

🌃：在对二级页表做介绍之前我们先来补充一些概念：

在32位环境下，物理内存和虚拟地址空间大小都是4GB，同时在CPU访问数据时，提供的虚拟地址也就是32位的。虚拟地址和物理地址的映射需要通过页表来完成，CPU需要有能力提供覆盖所有物理地址内存的地址，32位环境下，就是32位进制，虽然CPU给页表提供的虚拟地址是32位的，但是却不是直接将32位作为一个整体在页表中查找物理地址的。而是将32位二进制分为了 10+10+12的形式。即：

虚拟地址和物理地址：在32位系统中，虚拟地址和物理地址的空间都是4GB。
虚拟地址的处理：虽然虚拟地址是32位的，CPU在查找物理地址时并不会直接使用整个32位地址，而是将其拆分成三段。
地址拆分的方式：虚拟地址被分为三部分：前两部分各有10位，最后一部分有12位。这样做是为了有效地在内存中查找和映射物理地址

🚀：事实上CPU是以如下的形式查找物理内存：

可以看到在二级页表中出现了page这一起始地址，这个page又是什么呢？

🍎 ：在之前我们介绍Linux的文件系统的时候，讲到操作系统的I/O操作的基本单位通常都是4KB，为了方便操作操作系统也会以4KB为单位的大小来管理内存，即操作系统会将物理内存以4KB位基本单位，并将其称为页框，也就是这里的 page 。除了物理内存之外，磁盘中的程序在进行编译的时候也是按照4KB为单位划分好的。

操作系统对于程序地址空间也是按照4KB为基本单位进行管理的。

🏄 ：CPU对于物理内存的查找实际如下：

首先使用的是虚拟地址的最高的10位，在页目录中查找到对应的页表的地址。
接着通过虚拟地址的中间的10位也就是页表地址----------------->查找对应的page的起始地址，这个page的起始地址其实就是个真实的物理地址，找到的就是物理内存中的一页page。
最后虚拟地址的最后12位起到的是一个偏移量的作用，我们称虚拟地址的最后12位为页内偏移量。而2^12=4KB，就是内存中的存储单元，根据偏移量，我们就可以在4KB内找到对应的地址。

完整流程如下：

四总结

页表设计的优点

节省内存：如果使用一级页表，整个4GB的内存地址空间都需要为每个页面创建一个对应的页表项，这会占用大量内存。而使用多级页表，页目录的大小一般为KB级别，且由于第二级页表是按需创建的，因此只在需要时才分配内存。这样可以显著节省内存。最坏情况下，内存占用也只是MB级别。

方便管理：多级页表的结构类似于一颗多叉树。第一层页表（页目录）指向第二层页表，第二级页表就像树的节点一样，可以按需创建、删除和管理。
这种结构使得管理更加灵活和高效，尤其是当内存需求不均匀时，可以动态分配和释放内存。

一 前言

二 深入理解页表

三 页表的实际组成

四 总结

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一前言

二深入理解页表

三页表的实际组成

四总结