处理页表

Question

我有兴趣更好地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（包括在SO上发布的其他问题）收集的内容，

1）每个进程的各个页表都位于同一进程的内核地址空间中。

2）每个进程只有一个页表，包含虚拟页面到物理页面（或帧）的映射。

3）存储器管理单元（MMU）基本上通过使用提供的虚拟地址的前20位作为页表的索引来计算对应于给定虚拟地址的物理地址，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位将一些偏移量应用于该地址。

这三个陈述是否正确？或者我误解了这些信息？

Answer 1

所以，首先让我们澄清一些事情：

1. 对于x86架构，决定分页策略的不是操作系统，而是CPU（更具体地说是MMU）。操作系统如何查看分页系统与其实现方式无关。正如一位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。这从属于硬件的处理方式。
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大小，就无法真正谈论x86分页模型。

以下是32位x86分页模型的大规模压缩版本，使用最简单的版本。还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。我不会进入那些因为我并不熟悉大多数操作系统的内部结构，因为在你掌握了更简单的东西之前，你真的不应该深入研究它们。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，内存空间被分为4KB块，称为页面。其中1024个连续的块被映射到页表（大小也是4KB）。对于更进一步的间接，所有1024页表都映射到4KB页目录，该目录的基础位于处理器中的特殊寄存器%cr3中。由于操作系统中的大多数内存空间都是稀疏，这意味着大部分内存空间未使用，因此实现了这两级结构。你不想为未被触及的内存保留一堆页表。

当你得到一个内存地址时，最重要的10位索引进入页面目录，它为你提供了页表的基础。接下来的10位索引到该页表中，为您提供物理页面的基础（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操作。

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。

要真正回答你的问题：

1. 所有这些分页信息（表，目录等）都位于内核内存中。请注意，内核内存是一个很大的问题，并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。这是因为页面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切断地址的方式。

编辑：清理和微小修改。

Answer 2

总的来说，这非常正确。

如果记忆服务，虽然有一些细节有点不对：

1. 内核内存的分页不会因进程而改变，因此内核始终可以看到所有页表。
2. 理论上，还有一个基于细分的翻译步骤。然而，大多数实际系统（例如，* BSD，Linux，Windows，OS / X）使用其基数设置为0的段并限制设置为地址空间限制，因此该步骤最终基本上是NOP。