2.1.3　页式寻址

前面的内容向读者阐述了段的演进历史，以及其在内核中的作用。因为内核使用了平坦内存模型，将段基址设置为0，逻辑地址就是线性地址了，内核基本屏蔽了段机制，接下来，我们将放下段这个包袱，只关注页式内存管理。

为了使用页式内存管理，操作系统将物理内存划分为多个页面，然后通过一种机制，将虚拟地址映射到具体的物理页面内的偏移。以32位地址为例，如果页面大小为4KB，那么需要12位寻址页内偏移地址，假设我们使用1级页表映射，那么余下的20位用作页表内表项的索引，因此页表内将有2²⁰个表项。假设每个页表项占据4字节，那么页表的尺寸是2²⁰×4bytes=4MB，如果系统中运行多个任务，而每个任务又都有自己的页表，那么多个页表占据的内存就是一笔不菲的开销。更重要的是，页表中的大部分表项可能从来不会用到，白白浪费内存。

如果我们将1级表拓展为2级表，1级表中的表项指向的不是最终的物理页面，而是2级的页表，2级页表中的表项指向的是最终的物理页面。刨除12位用于4KB页面页内寻址，我们将余下的20位划分为2个10位，第1个10位用作1级表的索引，第2个10位用作2级表的索引。假设每个表项占据4字节，那么1级表的大小为2¹⁰×4bytes=4KB。同理，2级表的大小也是占据4KB。但是，2级表是按需分配的，所以2级表占据的尺寸就变为N×4KB，N为实际需要的2级表数量。相比于使用1级页表映射，其所占据的内存空间少了很多，相当于“实报实销”了。那么是否可以有多张1级表呢？答案是不可以，因为cr3寄存器只能记录一张表的地址，所以整个表需要有一个根，即1级表只能有一个。典型的2级页表映射如图2-4所示。

图2-4　2级页表下线性地址到物理地址的映射

对于32位CPU而言，使用2级表是一个比较好的平衡，但是对于64位CPU，如果依然使用2级表，与32位系统使用1级表类似，同样面临着单个表尺寸过大，导致物理内存浪费的问题。于是，64位系统使用4级或5级表。所以，操作系统最终是使用1级、2级还是3级表，甚至更多级表，是从表占用内存的经济角度考量的。