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本文轉載自微信公眾號「Linux內核那些事」，作者songsong001。轉載本文請聯系Linux內核那些事公眾號。

虛擬內存空間與物理內存空間

虛擬內存地址就好比每個班的學號，而物理內存地址就好比真實的學生。因為每個學號都對應不同的學生，所以虛擬內存地址也要映射到物理內存地址。

虛擬內存與物理內存的映射關系是通過 頁表 來關聯的，如下圖：

但 頁表 并不是按字節來進行映射的，而是按照 內存頁 為單位進行映射，一般一個 內存頁 的大小為 4KB(為什么要加一般呢，這是因為除了4KB，還有其他大小的內存頁，如2MB，4MB，1GB等)，頁表 的每一個 頁表項 都保存著物理內存頁的地址。

所以，4GB 的虛擬內存空間需要 1MB 大小的頁表來關聯(因為 4GB / 4KB = 1MB)。也就是說，0 ~ 4095 的虛擬內存地址都是使用 頁表 的第一個 頁表項 來映射的，而 4096 ~ 8191 的虛擬內存地址使用 頁表 的第二個 頁表項 來映射的，以此類推...

那么，通過什么樣的算法能把 0 ~ 4095 的虛擬內存地址轉換為頁表的第一個頁表項呢?其實很簡單，只需要把虛擬內存地址的高端 20 位作為頁表的索引，而把低端 12 位作為內存頁中的偏移量即可，如下圖：

在上圖中，還看到了一個 cr3 的東西，這是 CPU 中的一個寄存器，用于保存 頁表 的物理內存地址，通過這個寄存器就能找到進程的 頁表 了。

現在對內存映射的原理有了比較清晰的了解了，但現在有個問題，每個進程都要 1MB 大小的頁表，那不是很浪費內存嗎?的確是，因為進程很多虛擬內存地址并不會用到，為了節省頁表使用的內存，x86 CPU 把頁表分為 2 級，如下圖：

如上圖所示，把原來的 頁表 劃分為 頁目錄 和 頁表，它們的大小均為 4KB。而虛擬內存地址的高 10 位作為頁目錄的索引，而中間 10 位作為頁表的索引，低 12 位還是作為物理內存頁的偏移量。

把原來的 頁表 劃分為兩級后，進程有些不使用的虛擬內存地址就不需要進行映射，從而節省了內存的使用。