虚拟内存机制

一、虚拟内存机制示意图

本文假定从虚拟地址查得其映射的物理地址的步骤只有寄存器 cr3 → 页目录 → 页表 → 物理页框四步，某些操作系统可能有多级页目录或多级页表，但原理类似。

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二、线性地址、虚拟地址与物理地址

线性地址等于段基址加上偏移地址，分页机制将线性地址转换成物理地址。

虚拟地址指的是“段基址 + 偏移地址”中的偏移地址。

Linux 把所有段的段基址都设置为 0，所有段基址都为 0，故线性地址在数值上等同于虚拟地址。

程序员手在程序中访问变量或函数的地址一律是虚拟地址，CPU 寻查的地址一律是物理地址。

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三、页和页框

• 把虚拟地址空间划分为若干个等大的区域，这个区域叫做页。

• 把物理地址空间划分为若干个等大的区域，这个区域叫做页框。

• 一般页和页框的大小相同，都为 $2^{10}$ 即 $1024$ 个字节。

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四、寄存器 cr3，页目录和页表

• 寄存器 cr3 用于保存一个页目录的 32 位物理地址。

• 一个页目录用于保存每一个页表的 32 位物理地址。

• 一个页表用于保存每一个页框的 32 位物理地址。

• Intel 规定，页目录的物理地址、页表的物理地址和页框的物理地址必须按 4K 对齐即必须是 4096 的倍数，故以上 3 类物理地址的低 12 位一定全是 0，操作系统可以利用低 12 位存放一些标志比如权限位、存在位等，提取物理地址之前用掩码将低 12 位设为 0 即可忽略标志位的影响，从而得到真正的物理地址。

• 以上四点说的是页目录或页表每一项存放的内容是什么，那一个页目录或一个页表最多能存放多少项内容呢？假设虚拟（线性）地址的低 a 位代表页框内偏移地址，中间 b 位代表页表索引，高 c 位代表页目录索引，则一个页表最多能存放 $2^b$ 项页框物理地址，一个页目录最多能存放 $2^c$ 项页表物理地址。一般 a = 12，b = 10， c = 10。

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五、虚拟内存机制的作用

​ 对于一个进程来说，当下需要被访问的数据所在的虚拟内存页才会被映射到物理页框，尚未被访问的数据所在的虚拟内存页则不会，如果要访问的数据所在的虚拟内存页未被映射到物理页框，则会触发缺页中断，对目标虚拟内存页进行映射再继续被中断的访问，这有利于节省物理内存资源。

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六、参考资料

Linux 线性地址，逻辑地址和虚拟地址的关系？ - Hao Lee的回答 - 知乎
《Intel 64 and IA-32 Architectures Software Developer’s Manual》