页表(Page Table)

页表(Page Table)

概述： 实现虚拟内存的重要数据结构，作用是将虚拟地址映射到物理地址，从而允许操作系统和硬件进行有效的内存管理。虚拟内存技术允许程序使用比物理内存更大的地址空间

基本结构：

虚拟内存被划分为固定大小的页面（通常是4KB、8KB），物理内存被划分为固定大小的页框。然后页表保存着虚拟页面到物理页框的映射关系。

虚拟地址和物理地址都可以分成两部分：

• 页号：页面的编号
• 页内偏移：页面内的偏移量

页表的层级结构： 单一的页表结构可能非常大，查找效率较低。为了优化内存使用和查找速度，操作系统通常会使用多级页表结构：

• 一级页表：包含虚拟地址空间的最上层的页号映射
• 二级页表：用于映射一级页表中的页号进一步细分
• 三级页表：类似地，进一步细化映射关系

页表项(Page Table Entry, PTE)： 通常包含

• 物理页框号：该PTE映射到的物理内存页框地址
• 有效位：标记该PTE是否有效。若无效，表示该虚拟页面没有映射到物理内存，可能需要缺页中断(Page Fault)。
• 访问权限：如可读、可写、可执行等权限
• 脏位：标记该页面是否被修改过。若修改过且没有写回磁盘，则表示该页面为脏页面，需进行写回操作
• 引用位：在页交换算法中使用，表示该页面是否最近被访问过
• 缓存控制：指示该页面的缓存行为，如是否允许缓存

页表管理的关键操作：

• 页表的创建与销毁：每个进程通常都会有自己的页表，操作系统在进行进程创建时为其分配页表，在进程结束时销毁页表。
• 页表更新：当进程访问某个虚拟地址时，操作系统需要检查该地址是否有对应的PTE，如果没有，则发生缺页中断，操作系统需要更新页表
• 页表切换：每个进程都有独立的虚拟地址空间。因此，切换进程时需要切换页表。这通常是通过更新页表基址寄存器来完成。
• 页表缓存：为了加速地址转换，现代CPU通常会使用快表(TLB, Translation Lookaside Buffer)，这是一个小型缓存，用于存储最近访问的PTE，每次进行地址转换时，CPU会先查询TLB，若为命中，则需要访问页表

页表的管理策略：

• 分页与段式管理： 分页和分段式两种不同的内存管理方式，现代操作系统通常结合这两种方式，分页提供了一种均匀的虚拟地址空间，而分段则根据程序的逻辑结构划分地址空间
• 分配策略：操作系统通常根据需求将内存分配给页表，包括动态分配和按需分配。多级页表可以动态地分配内存，提高内存利用率
• 页交换：操作系统可能将一些页表项映射到磁盘的swap空间中， 称为虚拟内存的交换。当物理内存不足时，操作系统会将不活跃的页面交换出去，腾出空间给新的页面