漫画解说 “内存映射”

虚拟内存空间与物理内存空间

虚拟内存地址就好比每个班的学号，而物理内存地址就好比真实的学生。因为每个学号都对应不同的学生，所以虚拟内存地址也要映射到物理内存地址。

虚拟内存与物理内存的映射关系是通过 页表 来关联的，如下图：

但 页表 并不是按字节来进行映射的，而是按照 内存页 为单位进行映射，一般一个 内存页 的大小为 4KB（为什么要加一般呢，这是因为除了4KB，还有其他大小的内存页，如2MB，4MB，1GB等），页表 的每一个 页表项 都保存着物理内存页的地址。

所以，4GB 的虚拟内存空间需要 1MB 大小的页表来关联（因为 4GB / 4KB = 1MB）。也就是说，0 ~ 4095 的虚拟内存地址都是使用 页表 的第一个 页表项 来映射的，而 4096 ~ 8191 的虚拟内存地址使用 页表 的第二个 页表项 来映射的，以此类推...

那么，通过什么样的算法能把 0 ~ 4095 的虚拟内存地址转换为页表的第一个页表项呢？其实很简单，只需要把虚拟内存地址的高端 20 位作为页表的索引，而把低端 12 位作为内存页中的偏移量即可，如下图：

在上图中，还看到了一个 cr3 的东西，这是 CPU 中的一个寄存器，用于保存 页表 的物理内存地址，通过这个寄存器就能找到进程的 页表 了。

现在对内存映射的原理有了比较清晰的了解了，但现在有个问题，每个进程都要 1MB 大小的页表，那不是很浪费内存吗？的确是，因为进程很多虚拟内存地址并不会用到，为了节省页表使用的内存，x86 CPU 把页表分为 2 级，如下图：

如上图所示，把原来的 页表 划分为 页目录 和 页表，它们的大小均为 4KB。而虚拟内存地址的高 10 位作为页目录的索引，而中间 10 位作为页表的索引，低 12 位还是作为物理内存页的偏移量。

把原来的 页表 划分为两级后，进程有些不使用的虚拟内存地址就不需要进行映射，从而节省了内存的使用。