进程页表

Question

我有兴趣深入了解虚拟内存和页面机制，特别是对于 Windows x86 系统。根据我从各种在线资源（包括 SO 上发布的其他问题）中收集到的信息，

1) 每个进程的单独页表位于同一进程的内核地址空间内。

2) 每个进程只有一个页表，包含虚拟页到物理页（或帧）的映射。

3) 与给定虚拟地址对应的物理地址由内存管理单元 (MMU) 计算，本质上是使用提供的虚拟地址的前 20 位作为页表的索引，使用该索引来检索物理帧的起始地址，然后根据虚拟地址的剩余 12 位对该地址应用一些偏移量。

这三个说法正确吗？还是我误解了信息？

Answer 1

所以，首先让我们澄清一些事情：

1. 在 x86 架构的情况下，决定分页策略的不是操作系统，而是 CPU（更具体地说是 MMU）。操作系统如何看待分页系统与其实现方式无关。正如评论者正确指出的那样，分页模型有一个特定于操作系统的组件。这从属于硬件的做事方式。
2. 32 位和 64 位 x86 处理器具有不同的分页方案，因此如果不指定处理器的字长，就无法真正谈论 x86 分页模型。

接下来是 32 位 x86 分页模型的大规模压缩版本，使用它的最简单版本。有许多额外的调整是可能的，我知道各种操作系统都在使用它们。我不会讨论这些，因为我并不真正熟悉大多数操作系统的内部结构，而且在你掌握了更简单的东西之前，你真的不应该深入了解这些。如果您想了解 x86 分页模型的所有奇妙怪癖，可以访问英特尔文档：Intel System Programming Guide

在最简单的分页模型中，内存空间被划分为称为页的 4KB 块。其中 1024 个连续块映射到页表（大小也是 4KB）。对于更进一步的间接级别，所有 1024 个页表都映射到一个 4KB 的页目录，并且该目录的基址位于处理器中的一个特殊寄存器 %cr3 中。这两个级别的结构是到位的，因为操作系统中的大多数内存空间都是稀疏，这意味着其中大部分是未使用的。您不想保留一堆页表以供未触及的内存使用。

当你得到一个内存地址时，最重要的 10 位索引到页目录，它为你提供了页表的基础。接下来的 10 位索引该页表，为您提供物理页的基础（也称为物理帧）。最后，最后 12 位索引到帧中。假设您已将 %cr3 设置为正确的值，MMU 会为您完成所有这些工作。

64 位系统具有 4 级 分页系统，因为它们的内存空间更加稀疏。此外，页面大小可能不是 4KB。

真正解决您的问题：

1. 所有这些分页信息（表、目录等）都位于内核内存中。请注意，内核内存是一个大问题，没有为单个进程提供内核内存的概念。
2. 每个进程只有一页目录。这是因为页目录定义了一个内存空间，每个进程只有一个内存空间。
3. 上面的最后一段为您提供了地址被分割的方式。

编辑：清理和小修改。

Answer 2

总的来说，这是非常正确的。

如果没记错的话，有些细节有点不对劲：

1. 内核内存的分页不会因每个进程而改变，因此内核始终可以看到所有页表。
2. 理论上，还有一个基于句段的翻译步骤。然而，大多数实际系统（例如，*BSD、Linux、Windows、OS/X）使用的段的基数设置为 0，限制设置为地址空间限制，因此这一步本质上是一个 NOP。