操作系统 | 内存管理

零、页面与页框的区别

 

一、页表、页表项

页表由多个页表项组成，即页表中每一行的就是一个页表项。

页表项中记录的信息：

•     页框号：记录虚页面对应的具体哪个物理页面
•     有效位：标识该页表项对应的虚页面有没有读进内存，否则在磁盘
•     访问位：引用位，标识该页面有没有被访问过
•     修改位：此页面在内存中有没有被修改过，如果被修改过，将来是要被持久化到磁盘上的，该标志位就是这个目的
•     保护位：标识该页面的读写等权限

页表项一般是由硬件设计的，因为地址转换时大多数是由硬件完成的。
 

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二、页目录、多级目录

引出页目录：

对于32位虚拟地址空间，假设页面大小为4K，页表项大小为4字节：

一个进程有 4G/4K = 2^20个页面
因为一个页面需要一个页表项来对应，所以，进程的页表项个数也为2^20个
不难得出该进程的页表占用了 2^20 * 4 / 4K = 1024个页面的大小

对于64位的虚拟地址空间来讲，页表规模更大，理论值32000TB

其实，页表页就是存放进程页表的页面，他属于进程的一部分，页表也是以页为基本存储单位的。

所以，为了内存的高效使用，一般都不会将这么大规模的页表页存放在连续的内存上，所以，我们引入了页表页的地址索引表，页目录。提供一个目录，这样就变成了一个二维的结构，甚至现在很多计算机有多维的页表结构，也叫多级页表。
 

二级页表的访问过程

当一个进程上CPU运行时，需要将页目录的起始地址存放在CR3寄存器中(x86体系结构)

还是32位的虚拟地址：

1. 通过CR3寄存器，我们得到了页目录的地址
2. 然后，根据虚拟地址的前10位，标识页目录中的偏移量，该偏移量对应的地址，保存的是页表的地址
3. 得到页表地址，根据页表偏移，再得到页表项地址，那么我们就可以看到对应的是哪个物理页面
4. 最后，根据物理页面的编号，访问物理页面，加上页内的偏移，就可以找到对应的数据或者指令。
    

整个过程，通过地址拼接，就可以得到物理地址，2级页表，最大可以标识4G的虚拟地址空间。

Core I7的4级页表结构：

整个过程由MMU完成：

CPU取到虚拟地址-> MMU查页目录->MMU查页表->MMU得到页表项->MMU得到物理页面编号->MMU得到物理地址。