作 者：道哥，10+年嵌入式開發老兵，專注於：C/C++、嵌入式、Linux。
關注下方公眾號，回復【書籍】，獲取 Linux、嵌入式領域經典書籍；回復【PDF】，獲取所有原創文章( PDF 格式)。
【IOT物聯網小鎮】
目錄
在x86系統中，為了能夠更加充分、靈活的使用物理內存，把物理內存按照4KB的單位進行分頁。
然后通過中間的映射表，把連續的虛擬內存空間，映射到離散的物理內存空間。
映射表中的每一個表項，都指向一個物理頁的開始地址。
但是這樣的映射表有一個明顯的缺點：映射表自身也是需保存在物理內存中的。
在 32 位系統中，它使用了多達4MB的物理內存空間(每個表項4個字節，一共有4G/4K個表項)。
為了解決這個問題，x86處理器使用了兩級轉換：頁目錄和頁表。
這篇文章，我們就從最基礎的底層計算過程入手，把這個最重要的內存管理機制搞定，以后再學習更深入的知識點時，就會更容易理解了。
頁表的拆分過程
在一個32位的系統中，物理內存的最大可表示空間就是 0xFFFF_FFFF，也就是 4GB。
雖然實際安裝的物理內存可能遠遠沒有這么大，但是在設計內存管理機制的時候，還是需要按照最大的可尋址范圍來進行設計的。
按照一個物理頁4KB的單位來划分，4GB 空間可以分割為1024 * 1024個物理頁:
在上一篇文章中，使用單一的映射表來指向這些物理頁，導致了映射表自身占據了太多的物理內存空間。
一個用戶程序中定義的幾個段，可能實際上只使用了很小的空間，完全用不到 4 GB。
但是仍然需要為它分配多達 4GB 的物理內存空間來保存這個映射表，很浪費。
為了解決這個問題，可以把這個單一映射表拆分成1024個體積更小的映射表：
每一個映射表中，只有 1024 個表項，每一個表項仍然指向一個物理頁的起始地址;
一共使用 1024 個這樣的映射表;
這樣一來，1024(每個表中的表項個數) * 1024(表的個數)，仍然可以覆蓋4GB的物理內存空間。
這里的每一個表，就稱作頁表，所以一共有1024個頁表。
一個頁表中一共有1024個表項，每一個頁表項占用4個字節，所以一個頁表就占用4KB的物理內存空間，正好是一個物理頁的大小。
也許有的小伙伴就開始算賬了：一個頁表自身占用 4KB，那么1024個頁表一共就占用了4MB的物理內存空間，仍然是很多啊？
是的，從總數上看是這樣，但是：一個應用程序是不可能完全使用全部的 4GB 空間的，也許只要幾十個頁表就可以了。
例如：一個用戶程序的代碼段、數據段、棧段，一共就需要10 MB的空間，那么使用3個頁表就足夠了，加上頁目錄，一共需要 16 KB的空間。
計算過程：
每一個頁表項指向一個 4KB 的物理頁，那么一個頁表中 1024 個頁表項，一共能覆蓋 4MB 的物理內存;
那么 10MB 的程序，向上對齊取整之后(4MB 的倍數，就是 12 MB)，就需要 3 個頁表就可以了。
記住上圖中的一句話：一個頁表，可以覆蓋 4MB 的物理內存空間(1024 * 4 KB)。
頁表中，每一個表項的格式如下：
注意下面的這幾個屬性：
P(Present): 存在位。1 - 物理頁存在; 0 - 物理頁不存在;
RW(Read/Write): 讀/寫位。1 - 這個物理頁可讀可寫; 0 - 這個物理頁只可讀;
D(Dirty): 臟位。表示這個物理頁中的數據是否被寫過;
頁目錄結構
現在，每一個物理頁，都被一個頁表中的一個表項來指向了，那么這1024個頁表的地址，應該怎么來管理呢？
答案是：頁目錄表！
顧名思義：在頁目錄中，每一個表項指向一個頁表的開始地址(物理地址)。
操作系統在加載用戶程序的時候，不僅僅需要分配物理內存，來存放程序的內容;
而且還需要分配物理內存，用來保存程序的頁目錄和頁表。
再來算算賬：
剛才說過：每一個頁表覆蓋4MB的內存空間，那么頁目錄中一共有1024個表項，指向1024個頁表的物理地址。
那么頁目錄能覆蓋的內存空間就是1024 * 4MB，也就是 4GB，正好是32位地址的最大尋址范圍。
頁目錄中，每一個表項的格式如下：
其中的屬性字段，與頁表中的屬性類似，只不過它的描述對象是頁表。
還有一點：每一個用戶程序都有自己的頁目錄和頁表！下文有詳細說明。
幾個相關的寄存器
現在，所有頁表的物理地址被頁目錄表項指向了，那么頁目錄的物理地址，處理器是怎么知道的呢？
答案就是：CR3 寄存器，也叫做: PDBR(Page Table Base Register)。
這個寄存器中，保存了當前正在執行的那個任務的頁目錄地址。
每個任務(程序)都有自己的頁目錄和頁表，頁目錄表的地址被記錄在任務的TSS段中。
當操作系統調度任務的時候，處理器就會找到即將執行的新任務的 TSS段信息，然后把新任務的頁目錄開始地址更新到CR3寄存器中。
當新任務的指令開始被執行時，處理器在獲取指令、操作數據時，操作的是線性地址。
頁處理單元就會從 CR3 寄存器中保存的頁目錄表開始，把這個線性地址最終轉換成物理地址。
當然，處理器中還有一個快表，用來加快從線性地址到物理地址的轉換過程。
CR3 寄存器的格式如下：
順便把官網上的其他幾個控制寄存器都貼出來：
其中，CR0 寄存器的最高位PG，就是開啟頁處理單元的開關。
也即是說：
當系統上電之后，剛開始的地址尋址方式一直是 [段:偏移地址] 的方式。
當啟動代碼准備好頁目錄和頁表之后，就可以設置 CR0.PG = 1。
此時，處理器中的頁處理單元就開始工作了：面對任何一個線性地址，都要經過頁處理單元之后，才得到一個物理地址。
加載用戶程序時: 頁目錄、頁表的分配和填充過程
在之前的文章中，介紹過一個用戶程序被操作系統加載的全過程，簡述如下：
讀取程序 header 信息，解析出程序的總長度，從任務自己的虛擬內存中分配一塊足夠的連續空間;
分配一個空閑物理頁，用作程序的頁目錄，頁目錄的地址會記錄在稍后創建的 TSS 段中;
使用虛擬內存中的線性地址，分配一個物理頁(4 KB)，登記到頁目錄和頁表中;
從硬盤上讀取 8 個扇區的數據(每個扇區 512 字節)，存放到剛才分配的物理頁中;
檢查程序內容是否讀取完畢：是-進入第 6 步；否-返回到第 3 步;
為用戶程序創建一些必要的內核數據結構，比如：TSS、TCB/PCB 等等;
為用戶程序創建 LDT，並且在其中創建每一個段描述符;
把操作系統的頁目錄中高端地址部分的表項，復制給用戶程序的頁目錄表。
這樣的話，所有用戶程序的頁目錄中，高端地址的表項都指向相同的頁表地址，就達到了共享“操作系統空間”的目的。
這里主要聊一下第3步，假設用戶程序文件在硬盤上的長度是 20 MB，電腦中實際安裝的物理內存是 1 GB。
可以先計算一下：頁目錄中，每一個表項覆蓋的空間是 4 MB，那么 20 MB的數據，需要 5 個表項就可以了。
在初始狀態，頁目錄中的所有表項都是空的，其中的P位都是為0，表示頁表不存在。
操作系統首先從虛擬內存中，分配一塊20 MB的空間，假設從 1 GB（0x4000_0000）的地址處開始吧，這個地址是線性地址。
也就是說把應用程序的文件讀取到內存中，從地址0x4000_0000開始存放，向高地址方向增長。
注意：在“平坦”型分段模型下，線性地址等於虛擬地址。
0x4000_0000 = 0100_0000_0000_0000___0000_0000_0000_0000
前10位表示該線性地址在頁目錄中的索引，中間10位表示頁表中的索引，最后12位表示物理頁中的偏移地址。
因此，前10位就是 0100_0000_00，表示這個線性地址位於頁目錄中的第256個表項：
操作系統發現這個表項中為空，沒有指向任何一個頁表。
於是就從物理內存中，找一個空閑的物理頁，用作頁目錄中第256個表項指向的頁表。
注意：這個物理頁是用作頁表，而不是用作存儲用戶程序文件。
假設在物理內存上 128 MB (0x0800_0000)的地址處，找到一個空閑的物理頁，用作這個頁表。
把頁表中的1024個表項全部清空，並且把頁表的物理地址 0x0800_0000，登記在頁目錄中的第256個表項中：0x08000（上圖黃色部分）。
為什么不是 0x0800_0000？
因為一個物理頁的地址一定是4KB對齊的(最后的12位全部為 0)，所以頁目錄的表項中只需要記錄頁表地址的高 20 位即可。
現在，頁表也有了，下面就是分配一個物理頁來存儲程序的內容。
假設在剛才那個物理頁(用作頁表的那個)的上面，又找到一個空閑的物理頁，地址是：0x0800_1000。
此時，這個用於存放程序內容的物理頁的地址，就需要記錄在頁表的一個表項中了。
那么應該記錄在頁表中的什么位置呢？也就是應該登記在哪一個表項中呢？
需要根據線性地址的中間 10 位來確定：
0x4000_0000 = 0100_0000_0000_0000___0000_0000_0000_0000
中間10位的全部是 0，說明索引值就是0，也就是說頁表中的第0個表項，保存這個物理頁的地址，如下圖所示：
一個物理頁的地址一定是
4KB對齊的(最后的12位全部為0)，所以只需要記錄物理頁地址的高 20 位即可。
用於存儲程序文件內容的物理頁分配好了，下面就開始從硬盤中讀取程序文件的內容了。
一個物理頁的大小是 4 KB，硬盤上一個扇區的大小是 512 B，那么從硬盤上連續讀取8個扇區的數據就可以把一個物理頁寫滿。
剛才已經假設：用戶程序文件在硬盤上的長度是
20 MB。
當讀取了一個物理頁的內容后，通過計算發現用戶程序內容還沒有讀取完，於是繼續重復以上流程。
線性地址增加 4KB：0x4000_1000 = 0100_0000_0000_0000___0001_0000_0000_0000;
前 10 位沒有變，仍然是頁目錄中的第 256 個表項，發現這個表項指向的頁表已經存在了，於是就不用再分配物理頁用作頁表了;
分配一個空閑物理頁，用於存放程序內容，假設在 0x0100_4000處找到一個，把這個地址登記在頁表中;
此時，線性地址的中間 10 位的索引值是 1，所以登記在頁表中的第 1 個表項。
- 從硬盤上讀取 8 個扇區的數據，寫入這個物理頁;
因為頁目錄中一個表項所覆蓋的范圍是 4 MB(也就是一個頁表中1024個表項所指向的物理頁空間的總和)。
所以當讀取了4 MB的程序內容之后，這個頁表中的所有表項就被填滿了。
此時，讀取的程序內容所占用的【線性地址】空間是：0x4000_0000 ~ 0x403F_FFFF。
下面再繼續讀取新內容時，就從 0x4040_0000 這個線性地址處開始存放，讀取過程與上面都是一樣的：
- 確定頁目錄表項：
0x4040_0000 = 0100_0000_0100_0000___0000_0000_0000_0000，前 10 位的索引值是 257;
發現 257 這個表項為空，於是分配一個空閑的物理頁，用作頁表;
分配一個物理頁，用作存儲程序文件的內容，並把這個物理頁的地址記錄在頁表中;
線性地址 0x4040_0000 的中間 10 位的索引值是 0，所以登記在頁表的第一個表項中;
后面的過程就不再嘮叨了，一樣一樣的~~
最終的頁目錄和頁表的布局，類似下面這張圖：
線性地址到物理地址的查找、計算實例
如果理解了上一個主題的內容，那么部分應該就可以不用再看了，因為它倆是相反的過程，而且查找過程更簡單一些。
仍然繼續我們的假設：
用戶程序的長度是 20 MB，存放在虛擬內存 0x4000_0000 ~ 0x4140_0000 (線性地址)這段空間內;
代碼段的長度是 8 MB，從虛擬內存的 0x40C0_0000 處開始存放;
也就是如下圖所示：
現在，用戶程序的內容已經全部讀取到內存中了，頁目錄、頁表全部都安排妥當了。
在頁目錄表中，一共有 5 個表項，正好表示這20MB的地址空間。
其中，8 MB 的代碼所存儲的物理頁地址，登記在頁目錄表中的 259 和 260 這兩個表項中(上圖右側的綠色表項)。
目標：處理器在執行代碼時，遇到一個線性地址0x4100_8800，頁處理單元需要把它轉換得到物理地址。
0x4100_8800 = 0100_0001_0000_0000___1000_1000_0000_0000
首先，根據線性地址的前 10 位(0100_0001_00)，得到它在頁目錄中的索引值為 260。
這個表項中記錄的頁表地址為 0x08040，因為頁表地址的低12位一定是bit0，因此這個頁表的地址就是 0x0804_0000。
頁目錄表的開始地址，肯定是從 CR3 寄存器獲取的;
然后，根據線性地址的中間 10 位(00_0000___1000)，得到頁表中的索引值為 8。
這個表項中記錄的物理頁地址為 0x02004，補上低位的12個bit0，就得到物理頁的開始地址是 0x0200_4000。
最后，根據線性地址的最后 12 位(1000_0000_0000)，得到它在物理頁的偏移量 2048。
也就是說：從物理頁的開始地址(0x0200_4000)，偏移2048個字節的地方，就是這個線性地址(0x4100_8080)對應的物理地址(0x0200_4800)。
大功告成！
關於虛擬地址到物理地址的轉換、頁目錄和頁表的查找過程，基本就討論結束了。
不知道客官您是否已經酒足飯飽？
下周再寫一篇對頁目錄和頁表自身的“元操作”，這個系列文章就基本結束了。
如果還滿意的話，請您鼓勵一下，點個贊，轉發給朋友圈中的技術小伙伴，這也是對我最大的鼓勵，非常感謝！
推薦閱讀
【1】C語言指針-從底層原理到花式技巧，用圖文和代碼幫你講解透徹
【2】一步步分析-如何用C實現面向對象編程
【3】原來gdb的底層調試原理這么簡單
【4】內聯匯編很可怕嗎？看完這篇文章，終結它！
其他系列專輯：精選文章、C語言、Linux操作系統、應用程序設計、物聯網
