【Linux篇】深入解析分页式存储管理：虚拟地址、页表与缺页异常的机制详解

分页式存储管理通过虚拟地址与页表实现进程内存隔离，将逻辑地址分页映射到非连续物理内存。物理内存由struct page管理，采用多级页表（如二级页表）降低内存开销，CPU通过页目录和页表索引定位物理地址，TLB加速转换。缺页异常处理虚拟地址未映射情况，包括磁盘加载的硬缺页、映射未建立的软缺页及非法访问的无效缺页，确保内存高效利用与系统稳定。

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一. 分页式存储管理

分页式存储管理是操作系统中用于高效管理内存资源的一种关键技术，其核心思想是将程序的逻辑地址空间与物理内存空间解耦，通过非连续映射实现灵活的内存分配。

1.1 虚拟地址与页表的由来

• 虚拟地址的引入是为了实现进程的虚拟化，使每个进程认为它拥有整个计算机的内存，而不需要知道其他进程的内存使用情况。具体来说：

• 虚拟内存：虚拟内存允许程序使用比实际物理内存更多的内存。操作系统通过虚拟地址空间映射到实际的物理内存，管理着程序的内存访问。

• 隔离性与保护性：每个进程有自己的虚拟地址空间，这样即使在多个进程同时运行的情况下，它们之间不会互相干扰。虚拟地址的使用为进程提供了更高的安全性和保护。

• 页表是虚拟内存管理的关键数据结构，用于将虚拟地址映射到物理地址。它的引入解决了如何高效管理和查找虚拟内存和物理内存之间的映射关系。

• 分页机制：分页是一种内存管理方案，它将虚拟内存划分为固定大小的块，称为“页”（Page）。而物理内存则被分成大小相同的块，称为“页框”（Page Frame）。页表就是用来存储虚拟页和物理页框之间映射关系的数据结构。

• 页表作用：当一个进程访问某个虚拟地址时，操作系统通过页表查找该虚拟地址对应的物理地址。如果虚拟地址所在的页不在物理内存中（即发生了页缺失），操作系统会从磁盘加载该页到物理内存中。从一定程度上说保护物理内存。
  总结：将虚拟内存下的逻辑地址空间分为若⼲⻚，将物理内存空间分为若⼲⻚框，通过
  ⻚表便能把连续的虚拟内存，映射到若⼲个不连续的物理内存⻚。

1.2 物理内存管理

比如说一个可用物理内存有4GB空间。一个页框大小为4KB，页框的个数