操作系统中的多级页表（Multi-Level Page Table） 1. 问题背景 在操作系统的虚拟内存管理中，页表用于将虚拟地址映射到物理地址。假设系统采用单级页表，且虚拟地址空间很大（如32位系统有4GB地址空间，页大小为4KB），则页表需要包含约100万（2^20）个表项。每个表项占4字节，单级页表将占用4MB内存。若系统支持64位地址空间，单级页表将变得极其庞大（2^52个表项），甚至无法存入内存。 多级页表的核心目标 ：通过层次化结构减少页表的内存占用，仅存储实际使用的地址映射部分。 2. 多级页表的基本思想 将虚拟地址划分为多个部分，每部分作为某一级页表的索引。例如，在二级页表中： 虚拟地址被拆分为： 一级页号（P1） 、 二级页号（P2） 、 页内偏移（Offset） 。 一级页表存储二级页表的基地址，二级页表存储物理页框号。 若某虚拟地址区间未使用，对应的二级页表无需分配，从而节省空间。 3. 以32位系统为例的二级页表设计 假设虚拟地址32位，页大小4KB（偏移占12位），剩余20位用于页号： 方案 ：将20位页号拆分为10位P1（一级页号）和10位P2（二级页号）。 一级页表 ：包含2^10=1024个表项，每个表项指向一个二级页表（若存在）。 二级页表 ：每个二级页表包含1024个表项，每个表项指向物理页框。 内存占用计算 ： 一级页表固定占用：1024项 × 4字节 = 4KB。 每个二级页表占用：1024项 × 4字节 = 4KB。 若仅使用部分地址空间（如10%），只需分配少量二级页表，总内存远小于单级页表的4MB。 4. 地址转换过程 从CR3寄存器获取一级页表基地址 （CR3存储当前进程的页表根地址）。 用虚拟地址的P1字段作为索引，在一级页表中找到二级页表的基地址。 用P2字段作为索引，在二级页表中找到物理页框号。 将物理页框号与偏移组合，得到物理地址。 示例 ：虚拟地址0x00403004（二进制高20位=0000 0000 01|00 0000 0011） P1=1（第1个一级表项），P2=3（第3个二级表项），Offset=4。 通过P1找到二级页表基址，再通过P2找到物理页框号，最后拼接Offset。 5. 多级页表的优缺点 优点 ： 节省内存 ：仅分配实际需要的页表，避免未使用区域的表项占用空间。 支持稀疏地址空间 ：适合进程仅使用少量虚拟内存的场景。 缺点 ： 访问开销大 ：每多一级页表需额外一次内存访问（可通过TLB缓解）。 复杂度增加 ：需多次查表，硬件设计更复杂。 6. 实际应用与扩展 x86-64架构 ：采用4级页表（PML4、PDPT、PD、PT）或5级页表（扩展至57位地址）。 优化技术 ： TLB（快表） ：缓存常用地址映射，减少内存访问次数。 大页（Huge Pages） ：减少页表层级，提升TLB命中率。 总结 ：多级页表通过空间换时间的策略，以少量多次内存访问为代价，解决了大地址空间下页表内存占用过大的问题，是现代操作系统的核心机制之一。