作 者：道哥，10+年嵌入式開發老兵，專注於：C/C++、嵌入式、Linux。
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終於開始介紹分頁機制了，作為一名 Linuxer，大名鼎鼎的分頁機制必須要徹底搞懂！
我就盡自己的最大努力，正確把我理解的分頁機制，用圖文形式徹底分解，希望對您有所幫助！
一共分 3 篇文章:
這篇文章主要介紹單映射表;
下一篇介紹兩級映射(頁目錄和頁表);
最后一篇介紹對映射表自身的操作。
分段存儲的壞處
在之前的文章中，我們多次描寫了一個段描述符的結構，其中就包括段的開始地址、界限和各種段的屬性。
經過分段處理單元的權限檢查和計算，這個開始地址加上偏移量，就是一個線性地址，如下圖所示：
在 x86 系統中，分段機制是固有的，必須經過這個環節才能得到一個線性地址。
所以 Linux 系統中，為了“不使用”分段機制，但是又無法繞過，只好定義了“平坦”的分段模型。
在沒有開啟分頁機制的情況下，分段單元輸出的線性地址就等於物理地址。
這里就存在着一個重要的問題：從段的開始地址，一直到段空間的最后地址，這是一塊連續的空間！
在這樣的情況下，每一個用戶程序中，包含的所有段，在物理內存上所對應的空間也必須是連續的，如下圖：
因為每一個程序的代碼、數據長度都是不確定、不一樣的，按照這樣的映射方式，物理內存將會被分割成各種離散的、大小不同的塊。
經過一段運行時間之后，有些程序會退出，那么它們占據的物理內存空間可以被回收，但是，這些物理內存都是以很多碎片的形式存在。
如果這個時候操作系統想分配一塊稍微大一些的連續空間，雖然空閑的物理內存空間總數是足夠的，但是不連續啊，這就給物理內存帶來極大的浪費！
怎么辦？
現在的需求是：操作系統提供給用戶的段空間必須是連續的，但是物理內存最好不要連續。
軟件領域有一句經典名言：沒有什么是不能通過增加一個抽象層解決的！
在內存管理上，新加的這一層就是虛擬內存：把物理內存按照一個固定的單位(4 KB，稱作一個物理頁)進行分割，然后把連續的虛擬內存，映射到若干個不連續的物理內存頁。
圖中綠色的的映射表，就是用來把虛擬內存，映射到物理內存。
物理內存的管理
關於映射表的細節，下一個主題再聊，先來看一下操作系統對物理內存的狀態管理。
在如今的一台 PC 機上，內存動輒就是是 8G/16G/32G 的配置，好像很充裕、隨便用。
但是在 N 年以前，買一個 U 盤都是按照 MB 為單位的，更別說內存了。
因此在那個時代，面對 MB 級別的物理內存，操作系統還能夠把它虛擬成 4GB 的內存空間給用戶程序使用，也是挺厲害的！
言歸正傳，在這篇文章中，我們就奢侈一點，假設可用的物理內存有 1GB 的空間。
當系統上電之后，BIOS 會檢查系統的各種硬件資源，並告訴操作系統，其中就包括這 1GB 的物理內存。
按照一個物理頁的大小 4KB 進行划分，1 GB 的空間就是 262144 (1GB / 4K)個物理頁。
操作系統需要對這些頁進行管理，也就是維護它們的狀態：哪些頁正在被使用，哪些頁空閑。
最簡單、直觀的方法，就是用一塊連續的內存空間來描述每一個物理頁的狀態，每一個bit位對應一個物理頁：
bit = 1: 表示該物理頁被使用;
bit = 0：表示該物理頁空閑;
262144 個頁需要262144個bit位，也就是32768個字節。
那么對於1 GB大小的物理內存來說，如下圖所示：
利用map結構，操作系統就知道當前: 哪些物理頁正在被使用，哪些物理頁是空閑的。
每一個物理頁是 4KB，所以地址中最后 12 個 bit 都是 0;
map 結構本身也需要存儲在物理內存中的，因此 32768 個字節，一共需要 8 個物理頁來存儲(32768 / 4 * 1024 = 8)。
映射表
在32位系統中，虛擬內存的最大空間是 4GB，這是每一個用戶程序都擁有的虛擬內存空間。
實際上，操作系統都會把虛擬內存的高地址部分，用作操作系統，低地址部分留給用戶程序使用;
Linux 系統中，高地址的 1GB 空間是操作系統使用；Windows 系統中，高地址的 2GB 的空間被操作系統使用，但是可以調整;
但是，實際的物理內存只有1GB(假設值)，那么操作系統就要使用自己的騰挪大法，讓用戶程序認為4GB的內存空間全部可用。
就好比變戲法一樣：十個碗，九個蓋，誰能玩的溜、不露餡，誰就是高手！
計算一下映射表本身所占據的空間大小：
映射表中的每一個表項，指向一個物理頁的開始地址。
在32位系統中，地址的長度是4個字節，那么映射表中的每一個表項就是占用4個字節。
既然需要讓4GB的虛擬內存全部可用，那么映射表中就需要能夠表示這所有的4GB空間，那么就一共需要1048576 (4GB / 4KB)個表項。
所以，映射表占據的總空間大小就是：1048576 * 4 = 4 MB 的大小。
也就是說，映射表自己本身，就要占用 1024 個物理頁(4MB / 4KB)。
正是因為使用一個映射表，需要占用這么大的物理內存空間，所以才有后面的多級分頁機制。
虛擬內存看上去被虛線“分割”成4KB的單元，其實並不是分割，虛擬內存仍然是連續的。
這個虛線的單元僅僅表示它與映射表中每一個表項的映射關系，並最終映射到相同大小的一個物理內存頁上。
例如：
虛擬內存的 0 ~ 4KB 空間，對應映射表第 0 個表項中，其中存儲的物理地址是 0x3FFF_F000(最后一個物理頁);
虛擬內存的 4KB ~ 8KB 空間，對應映射表第 1 個表項中，其中存儲的物理地址是 0x0000_0000(第 0 個物理頁);
虛擬內存的最后 4KB 空間，對應映射表最后一個表項中，其中存儲的物理地址是 0x0000_1000(第 1 個物理頁);
也就是說：
虛擬內存與映射表之間，是平行的一一對應關系；
映射表中的物理地址，與物理內存之間，是隨機的映射關系，哪里可用就指向哪里(物理頁)。
以上就是用一個映射表，把物理內存以4KB為一個頁進行分配，然后再與虛擬內存對應起來，包裝成連續的虛擬內存給用戶使用。
雖然最終使用的物理內存是離散的，但是與虛擬內存對應的線性地址是連續的。
處理器在訪問數據、獲取指令時，使用的都是線性地址，只要它是連續的就可以了，最終都能夠通過映射表找到實際的物理地址。
為了有一個更加感性的認識，我們再來看一個稍微具象一點的實例。
一個線性地址的尋址過程
我們假設用戶程序中有一個代碼段，那么在這個程序的 LDT（局部描述符表）中，段描述的結構如下：
假設條件如下：
虛擬內存（32位系統）：4GB，實際的物理內存 1GB;
代碼段的開始地址位於 3 GB 的地方，也就是 0xC000_0000;
代碼段的長度是 1 MB;
我們的目標是：查找線性地址0xC000_2020所對應的物理地址。
根據描述符的結構，其中的段基地址是 0xC000_0000，界限是 0x00100，段描述符中，其它的字段暫時不用關心。
界限一共有 20 位，假設粒度是 4KB，那么 1 MB 的長度除以 4KB，結果就是 0x00100。
代碼段的開始地址(線性地址) 0xC000_0000，位於虛擬內存靠近高端四分之一的位置，那么映射表中對應的表項，也是位於高端的四分之一的位置。
映射表中每一個表項指向一個4KB大小的是物理頁，那么長度為1MB的代碼段，就需要256個表項。
也就是說映射表中有 256 個表項，指向256個物理頁：
對於我們要查找的線性地址 0xC000_2020，首先把它拆解成兩部分：
高 20 位 0xC0002: 是映射表索引;
低 12 位 0x020: 是物理頁內的偏移地址;
索引值 0xC002，對應於下圖中從3GB開始的第2個表項：
在上面這個示意圖中，代碼段的開始地址 0xC000_0000，對應於映射表中索引為0xC0000這個表項，這個表項中記錄的物理內存頁開始地址是 0x1000_0000（距離開始地址 256 MB）。
代碼段的長度是 1 MB，一共需要256個表項，那么最后這個表項的索引就應該是 0xC00FF。
那么對於我們要尋找的線性地址 0xC000_2020，對應的表項索引號是 0xC0002，這個表項中記錄的物理內存頁的開始地址是 0x2000_0000（距離開始地址 512 MB）。
找到了物理內存的起始地址，再加上偏移量 0x020，那么最終的物理地址就是：0x2000_0020。
以上就是通過映射表，從線性地址到物理地址的頁轉換過程。
對於使用二級頁表的轉換機制來說，原理都是一樣的。無非是把高20位的索引拆開(10 位 + 10 位)，使用兩個表來轉換，這個問題下一篇文章會詳細聊。
本文描述了：通過一個映射表，把連續的虛擬內存，映射到離散的物理頁，極大的利用了物理內存。
當操作系統需要分配一大塊、連續的內存空間給用戶程序時，映射表中的表項可以指向多個不連續的物理頁，反正用戶程序接觸不到這一層(用戶程序只與虛擬內存打交道)。
這樣利用物理內存的效率就極大的提高了。
再加上換出和換入機制(把硬盤當做物理內存來用)，讓用戶程序以為有用不完的物理內存。
同時，我們也討論了這個單一映射表的壞處，那就是映射表本身也占用了4MB的物理內存空間。
為了解決這個問題，偉大的先驅者們又引入了多級映射表，那就是頁目錄表和頁表，我們下一篇文章再見！
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