1. 页表基础概念：虚拟地址与物理地址映射、页表的作用、多级页表结构
1.1 虚拟地址与物理地址映射
现代操作系统采用虚拟内存管理，每个进程拥有独立的虚拟地址空间（如 64 位 Linux 下 128 TB 用户空间）。CPU 发出的地址是虚拟地址（VA），必须转换为物理地址（PA）才能访问实际内存。页表（Page Table）正是完成这一转换的核心数据结构。
核心公式： 虚拟地址 → 页表（多级查询） → 物理地址 + 页内偏移
虚拟地址被划分为两部分：虚拟页号（VPN） 和 页内偏移（Offset）。页表将 VPN 映射到物理页框号（PFN），PFN 与 Offset 拼接即得到物理地址。
| 地址成分 | 说明 | 示例（4KB 页） |
|---|---|---|
| 虚拟页号（VPN） | 页表索引，决定映射到哪个物理页框 | 高 52 位（64 位地址中） |
| 页内偏移（Offset） | 页内字节位置，直接作为物理地址低 12 位 | 低 12 位（0x000–0xFFF） |
| 物理页框号（PFN） | 页表项中记录的物理页框编号 | 如 0x7f000 |
| 物理地址（PA） | PFN 左移 12 位 + Offset | 0x7f000000 + 0x123 = 0x7f000123 |
1.2 页表的作用
页表是虚拟内存系统的基石，承担以下关键职责：
- 地址转换： 将虚拟地址映射到物理地址，使进程看到连续的虚拟空间，而物理内存可以碎片化。
- 内存保护： 页表项（PTE）包含权限位（读/写/执行）、用户/内核态标志，防止进程越权访问。
- 按需分页： 页表项中的 Present 位标记页面是否在物理内存中。缺页时触发 Page Fault，由内核加载数据。
- 共享内存： 多个进程的虚拟页可映射到同一物理页框，实现高效进程间通信（IPC）。
- 交换支持： 页表项可记录页面在磁盘交换区的位置，实现虚拟内存大于物理内存。
性能关键： 每次内存访问都需要查页表。若页表全部在内存中，一次访存将变为多次内存访问（多级页表查询 + 实际访存）。TLB（Translation Lookaside Buffer）作为页表的高速缓存，是缓解此瓶颈的核心硬件。
1.3 多级页表结构
64 位系统虚拟地址空间巨大（如 248 或 257 字节），若使用单级页表，页表本身将占用海量内存。多级页表通过分层索引，只分配实际使用的页表层级，大幅节省内存。
以 x86-64 Linux 的 4 级页表为例（PGD → P4D → PUD → PMD → PTE），虚拟地址被划分为 5 个部分：
| 层级 | 全称 | 位宽（典型） | 作用 |
|---|---|---|---|
| PGD | Page Global Directory | 9 位 | 顶级目录，每个进程一个 |
| P4D | Page 4th Level Directory | 9 位 | 第 4 级目录（某些架构可选） |
| PUD | Page Upper Directory | 9 位 | 第 3 级目录 |
| PMD | Page Middle Directory | 9 位 | 第 2 级目录 |
| PTE | Page Table Entry | 9 位 | 最后一级，指向物理页框 |
| Offset | 页内偏移 | 12 位 | 4KB 页内寻址 |
地址转换时，CPU 从虚拟地址中依次提取各级索引，逐级查找页表目录，最终找到物理页框号。若某级目录项为空（未分配），则停止查找，触发缺页异常。
1.4 页表项（PTE）结构
每个页表项通常为 8 字节（64 位），包含物理页框号及标志位。以 x86-64 为例：
| 位域 | 宽度 | 说明 |
|---|---|---|
| PFN | 高 52 位（实际使用 40 位） | 物理页框号，指向 4KB 对齐的物理页 |
| Present (P) | 1 位 | 页面是否在物理内存中（0 则触发缺页） |
| Read/Write (R/W) | 1 位 | 0 表示只读，1 表示可读写 |
| User/Supervisor (U/S) | 1 位 | 0 仅内核可访问，1 用户态也可访问 |
| Page-level Write-Through (PWT) | 1 位 | 缓存写策略：透写/回写 |
| Page-level Cache Disable (PCD) | 1 位 | 禁止缓存该页 |
| Accessed (A) | 1 位 | 硬件置位，表示页面被访问过（用于页面置换） |
| Dirty (D) | 1 位 | 硬件置位，表示页面被写入过（用于回写交换） |
| Global (G) | 1 位 | 全局页，TLB 刷新时不清除（常用于内核空间） |
注意： 多级页表每级目录项的结构与 PTE 类似，但 PFN 指向的是下一级页表的物理地址，而非数据页框。最后一级（PTE）的 PFN 才指向实际数据页。
1.5 多级页表的优势与权衡
- 节省内存： 只分配实际使用的页表层级。例如，一个只使用少量内存的进程，其 PGD 和少量 PUD/PMD/PTE 即可，无需为整个地址空间分配页表。
- 按需分配： 各级页表在首次访问对应虚拟地址范围时才创建，延迟分配。
- 支持大页： 通过跳过中间层级（如 PMD 或 PUD），可直接映射 2MB 或 1GB 的大页，减少页表项数量。
- 代价： 地址转换需要多次内存访问（4 级页表需 4 次查表 + 1 次数据访问），TLB 缺失时开销显著。