深入理解Linux的页目录与页表：灵活内存管理的关键

在Linux操作系统加载用户程序时，内存分配与管理是至关重要的。为了有效利用物理内存，x86架构采用4KB分页机制和两级地址转换机制——页目录与页表，巧妙地解决了大映射表可能导致的内存占用问题。

页表与内存布局

在32位系统中，每个4KB的页表负责管理4MB物理内存，1024个页表分布在4GB的物理空间中，每个表项包含访问权限、状态标记等信息。页目录则负责管理这1024个页表，每个表项存储对应页表的物理地址。

实例演示

例如，一个20MB的程序仅需占用3个页表。启动时，操作系统会分配一个空的页目录，然后在0x4000_0000开始存放程序。程序的虚拟地址与线性地址相同。初始时，页目录所有表项都是空的，直到找到物理内存中的空闲页。

首先，分配一个4KB对齐的物理页作为页目录的第256个表项的页表（非用户区域）。接着，将找到的物理页表地址（如0x0800_0000）记录在对应目录项（0x08000）中。然后，根据线性地址的中间10位，为程序内容分配物理页，如0x0800_1000对应页表的第0项。

程序内容被读取并写入物理页，每个4KB的数据段对应硬盘扇区的8倍。随着程序加载，线性地址递增，物理内存与页表同步更新。加载完成后，用户程序的20MB分布在0x4000_0000到0x4140_0000，其中代码段从0x40C0_0000开始。

地址转换过程

当处理器遇到线性地址0x4100_8800时，它会通过以下步骤转换为物理地址：

前10位（260号页目录表项）提供页目录地址0x08040，页表地址为0x0804_0000。

通过CR3寄存器获取页目录地址，进一步使用中间10位（第8个页表项）定位到物理页地址0x02004，对应物理地址范围为0x0200_4000。

最后12位偏移量为2048，因此物理地址为0x0200_4800。

通过这个过程，0x4100_8800的地址在内存中被准确映射到0x0200_4800。

总结

Linux的页目录与页表机制，通过精细的地址转换，确保了用户程序的高效运行，同时保持内存管理的灵活性。理解并掌握这一核心概念，将有助于我们深入探索Linux系统内部的内存管理机制。