谈一谈内存管理，虚拟内存，多级页表

在说虚拟内存之前，我们先搞清楚下啥是内存。

内存

内存是计算机中重要的部件之一，它是外存(硬盘等)与CPU进行沟通的桥梁。计算机中所有程序的运行都是在内存中进行的，因此内存的性能对计算机的影响非常大。去淘宝上搜搜内存条，那就是计算机中的内存硬件。

内存

物理地址

内存上原始的地址就是物理地址，在x86的32位机子上，最大能支持的物理内存是4GB，它的物理地址就是从[00000000，ffffffff]。

虚拟地址

虚拟地址是物理内存的一个映射，可能虚拟地址00000000对应f0000000，也有可能对应00001000。这主要是为了让每一个进程都拥有相同的地址空间。相当于每个进程都独占CPU，都假设自己用来4GB的物理内存。这样的好处在于写代码时可以从繁琐的内存管理中抽身出来，不用在意当前地址是否被其他进程所占用，因为操作系统会自动将其映射到未使用的物理内存上。也让程序具有了移植性。

虚拟地址和物理地址之间的映射

有了虚拟地址，我们就可以对其映射方法进行设计，从而实现对物理内存的内存管理。

虚拟地址怎么对应到具体的物理地址上呢？

内存管理 + 分页！将物理内存分成一页一页(也可以说一块一块，但块是在文件系统的一个名词)，每页的大小固定，通常是4KB一页。4GB的内存就会被分成1024*1024 = 1048576个页。

物理地址分页

怎么记录还有哪些页没被使用，怎么使用这些物理页？从物理内存中取一些内存用来做struct pageInfo数组的存放地址。一共1048576个页，那么就需要1048576个pageInfo。那怎么知道每个pageInfo对应哪个物理页呢？在内核程序中用pageInfo[i]的下标i就可以啦。这相当于物理页的代言人。

pageInfo对应物理页

怎么对这些页进行管理呢，比如标记被使用，权限等？4KB一页就意为着每个页的起始地址最后三位一定是000，4KB = 0x00001000。所以相当于空出了12位，所以可以利用这些位来做页内偏移。前22位就是用来寻找页面，这个由专门的页表进行管理。
虚拟地址的转换：通过查找页表找到页(找到页的代言人PageInfo)，再使用页内偏移找到最终的物理地址，页表的结构有哪些呢？
一级页表：物理内存中一共有1048576个页，那么页表就需要总共就是1048576 * 4B = 4M。也就是说我需要4M连续的内存来存放这个页表，也就是一级页表。随着虚拟地址空间的增大，存放页表所需要的连续空间也会增大，在操作系统内存紧张或者内存碎片较多时，这无疑会带来额外的开销。

页表寻找物理页代言人

为什么会出现多级页表呢？
根据一级页表的缺点，多级页表的出现肯定是可以节约内存的。页表寻址是用cr3寄存器来确定一级页表地址的，所以一级页表的地址必须指向确定的物理页，否则就会出现错误，所以如果用一级页表的话，就必须把全部的页表都加载进去。而使用二级页表的话，只需要加载一个页目录表(一级页表)，大小为4K，可以管理1024个二级页表。可能你会有疑问，这1024个二级页表也是需要内存空间的，这下反而需要4MB+4KB的内存，反而更多了。
其实二级页表并不是一定要存在内存中的，内存中只需要一个一级页表地址存在cr3寄存器即可，二级页表可以使用缺页中断从外存移入内存。

二级页表

二级页表寻址