虚拟内存映射的分页机制：使用一级页表

虚拟内存映射的分页机制：使用一级页表

提前熟悉 核心 关键词 的含义：

内存
内存页面
虚拟地址
物理地址
页面页码
页偏移
页表数组
高位，低位

总结：

目的：
通过给的虚拟地址（一个32位数字） 来求出 物理地址（一个32位数字）
需要借助的媒介：已经算好的 页表数组。数组元素代表 目标物理地址所在的 内存页面页码。可通过数组下标 读取页表数组的信息。

其中内存 是分页的，也就是他在 类似于一本书 一样的 一页中，而且在这一页中的 某个位置。物理地址具有两个重要的信息，
1物理地址 在页码为某个数字的 物理页面上。
2物理地址 在 当前页面 具有一个 偏移。

因此只要 求出 物理地址 所在的内存的 页面和页内偏移 这两个信息，就可以知道 物理地址的具体数字大小。

1.虚拟地址->页表转换->物理地址

2.页表数组是根据分配与需要，已经算好了的一个数组，可以直接读取使用。
页表数组 储存 某个 物理地址 所在的 内存页面的 页码。
页表数组 下表为 k的 元素 储存的信息是 物理地址 所在的 页面页码。
其中下表k 与 虚拟地址的 高20位 是一样的。

页表数组 书面定义：
它包含 2^20 = 1M 个元素，每个元素的值为页面编号（也就是位于第几个页面），长度为4字节，整个数组共占用4MB的内存空间。这样的数组就称为页表（Page Table），它记录了地址空间中所有页的编号。

页表数组元素高20位：表示页面编号
页表数组元素低12位：表示 当前页的相关属性，例如是否有读写权限、是否已经分配物理内存、是否被换出到硬盘等。**

3. 虚拟地址是个32位的数字，这32位数字的意义
   其实这32位数包含 页表的 的信息，还包含 页内偏移的信息
   高20位： 页表数组 下标：
   低12位：页内偏移（这个页就是虚拟地址的高20位这个数字作为页表数组的下表，对应的页表 ）

4.物理地址的特征： 分页机制，也就是 所有的物理地址 是一页一页的，每页都有 页码，而且每页具有相同数量的地址，或者说每页大小一样。

书面说法：
分页（Paging）的思想是指把地址空间人为地分成大小相等（并且固定）的若干份，这样的一份称为一页，就像一本书由很多页面组成，每个页面的大小相等。如此，就能够以页为单位对内存进行换入换出：
当程序运行时，只需要将必要的数据从磁盘读取到内存，暂时用不到的数据先留在磁盘中，什么时候用到什么时候读取。
当物理内存不足时，只需要将原来程序的部分数据写入磁盘，腾出足够的空间即可，不用把整个程序都写入磁盘。

5 虚拟地址高20位作为 页表数组 下表，则 通过这个下标 找到 目标物理地址 所在 内存页面的 页码。
虚拟地址低12位 是 目标物理地址 在其所在 内存页面内 的偏移。

因此
a.虚拟地址高20位k做下标-> 页表数组a[]->在页表数组a[] 找到 目标物理地址所在 下标为k的 内存页码q（ q为 页表数组元素 a[k]的 高20位 ）
b.虚拟地址低12位p-> 目标物理地址 在其所在 内存页面内 的偏移p。
c.假设每页有n_page个地址，那么物理地址为 a[k] * n_page + p
其中虚拟地址 为 kp(连续数字，k为高20位，p为低12位)

页表数组元素高20位：表示页面编号
页表数组元素低12位：表示 当前页的相关属性，例如是否有读写权限、是否已经分配物理内存、是否被换出到硬盘等。**

注意，表示页面编号只需要 20 位，而页表数组的每个元素的长度却为 4 字节，即 32 位，多出 32 - 20 = 12 位。这 12 位也有很大的用处，可以用来表示当前页的相关属性，例如是否有读写权限、是否已经分配物理内存、是否被换出到硬盘等。

上面为原创，以下为转载自
http://c.biancheng.net/view/vip_2095.htmli
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既然内存是分页的，只要我们能够定位到数据所在的页，以及它在页内的偏移（也就是距离页开头的字节数），就能够转换为物理地址。例如，一个 int 类型的值保存在第 12 页，页内偏移为 240，那么对应的物理地址就是 2^12 * 12 + 240 = 49392。
2^12 为一个页的大小，也就是4K。
虚拟地址空间大小为 4GB，总共包含 2^32 / 2^12 = 2^20 = 1K * 1K = 1M = 1048576 个页面，我们可以定义一个这样的数组：它包含 2^20 = 1M 个元素，每个元素的值为页面编号（也就是位于第几个页面），长度为4字节，整个数组共占用4MB的内存空间。这样的数组就称为页表（Page Table），它记录了地址空间中所有页的编号。

为什么要这样切割呢？因为页表数组共有 2^20 = 1M 个元素，使用虚拟地址的高20位作为下标，正好能够访问数组中的所有元素；并且，一个页面的大小为 2^12 = 4KB，使用虚拟地址的低12位恰好能够表示所有偏移。

注意，表示页面编号只需要 20 位，而页表数组的每个元素的长度却为 4 字节，即 32 位，多出 32 - 20 = 12 位。这 12 位也有很大的用处，可以用来表示当前页的相关属性，例如是否有读写权限、是否已经分配物理内存、是否被换出到硬盘等。

例如一个虚拟地址 0XA010BA01，它的高20位是 0XA010B，所以需要访问页表数组的第 0XA010B 个元素，才能找到数据所在的物理页面。假设页表数组第 0XA010B 个元素的值为 0X0F70AAA0，它的高20位为 0X0F70A，那么就可以确定数据位于第 0X0F70A 个物理页面。再来看虚拟地址，它的低12位是 0XA01，所以页内偏移也是 0XA01。有了页面索引和页内偏移，就可以算出物理地址了。经过计算，最终的物理地址为 0X0F70A * 2^12 + 0XA01 = 0X0F70A000 + 0XA01 = 0X0F70AA01。

这种思路所形成的映射关系如下图所示：

可以发现，有的页被映射到物理内存，有的被映射到硬盘，不同的映射方式可以由页表数组元素的低12位来控制。

使用这种方案，不管程序占用多大的内存，都要为页表数组分配4M的内存空间（页表数组也必须放在物理内存中），因为虚拟地址空间中的高1G或2G是被系统占用的，必须保证较大的数组下标有效。

现在硬件很便宜了，内存容量大了，很多电脑都配备4G或8G的内存，页表数组占用4M内存或许不觉得多，但在32位系统刚刚发布的时候，内存还是很紧缺的资源，很多电脑才配备100M甚至几十兆的内存，4M内存就显得有点大了，所以还得对上面的方案进行改进，压缩页表数组所占用的内存。