页表结构详解

页表是虚拟地址到物理地址的映射表，每个进程拥有独立的页表。

页表项（PTE）结构

┌────────────────────────────────────────────────┐
│         物理页框号 (PFN)          │ 控制位     │
├───────────────────────────────────┼───────────┤
│  31                    12 │ 11  0│
│  物理页框号(20bit)        │ 标志位 │
└───────────────────────────────────┴───────────┘

关键标志位

结构

虚拟地址: [页号(20bit)] [页内偏移(12bit)]
           ↓
       查页表
           ↓
       物理页框号 + 页内偏移 → 物理地址

问题

• 32 位地址空间、4KB 页大小：需要 $2^{20}$ 个页表项
• 每个 PTE 4 字节 → 页表大小 = 4MB
• 每个进程都需要一个页表 → 浪费大量内存

二级页表（x86 32 位）

虚拟地址 (32bit):
┌──────────┬──────────┬──────────┐
│ 一级索引 │ 二级索引 │ 页内偏移 │
│ (10bit)  │ (10bit)  │ (12bit)  │
└────┬─────┴────┬─────┴──────────┘
     │          │
     ▼          │
 一级页表(页目录) │
 ┌─────────┐    │
 │ PDE[0]  │────┼──→ 二级页表0
 │ PDE[1]  │    │    ┌─────────┐
 │ ...     │    └───→│ PTE[0]  │──→ 物理页框
 │ PDE[1023]│        │ PTE[1]  │──→ 物理页框
 └─────────┘        │ ...     │
                     └─────────┘

优势

• 一级页表（页目录）常驻内存：4KB（1024 项 $\times 4$ 字节）
• 二级页表按需创建：只映射实际使用的地址空间
• 节省内存：未使用的虚拟地址区域不需要创建页表

x86-64 四级页表

虚拟地址 (48bit有效):
┌──────┬──────┬──────┬──────┬──────────┐
│ PML4 │ PDPT │  PD  │  PT  │  Offset  │
│(9bit)│(9bit)│(9bit)│(9bit)│ (12bit)  │
└──────┴──────┴──────┴──────┴──────────┘
  Level4  Level3  Level2  Level1

四级页表结构：

CR3寄存器 → PML4表 → 页目录指针表(PDPT)
                         → 页目录(PD)
                              → 页表(PT)
                                   → 物理页框

各级页表大小

2MB 大页（跳过最后一级页表）

PD项的PS位=1 → 该PD项直接映射2MB物理区域
减少一级页表查找，提高TLB覆盖率

1GB 大页（跳过最后两级页表）

PDPT项的PS位=1 → 直接映射1GB物理区域
用于数据库、虚拟机等大内存应用

大页的优势

• 减少 TLB miss（覆盖更大地址范围）
• 减少页表内存开销
• 减少页表遍历次数

问题

传统页表以虚拟页号为索引，64 位地址空间页表过大。

结构

以物理页框号为索引，表项记录哪个进程的哪个虚拟页映射到此。

物理页框号    进程PID    虚拟页号
──────────────────────────────
0            P1        5
1            P2        10
2            P1        3
3            (空闲)
...

地址转换

输入: (PID, 虚拟页号)
  → 搜索倒排页表（用哈希加速）
  → 找到对应的物理页框号
  → 物理地址 = 物理页框号 + 页内偏移

优缺点

CR3 寄存器（x86）

• 存储当前进程页目录的物理地址
• 进程切换时，CR3 随之切换

页表基址寄存器（PTBR）

• 存储页表起始地址
• 进程切换时更新

CPU发出虚拟地址VA
       │
       ▼
┌──────────────┐
│ 查TLB         │
│ (用VPN查)     │
└──────┬───────┘
       │
  ┌────┴────┐
  │ 命中?    │
  └────┬────┘
   Yes │    No
   ┌───┘    └───┐
   ▼            ▼
 直接获得PFN   遍历页表
   │           │
   │     ┌─────┴─────┐
   │     │ 页表项有效? │
   │     └─────┬─────┘
   │      Yes  │  No
   │     ┌─────┘    └──→ 缺页中断
   │     ▼
   │   更新TLB
   │     │
   └─────┤
         ▼
  物理地址 = PFN + Offset