漫畫解說 “記憶體對映”

虛擬記憶體空間與物理記憶體空間

虛擬記憶體地址就好比每個班的學號，而物理記憶體地址就好比真實的學生。因為每個學號都對應不同的學生，所以虛擬記憶體地址也要對映到物理記憶體地址。

虛擬記憶體與物理記憶體的對映關係是透過

頁表

來關聯的，如下圖：

但

頁表

並不是按位元組來進行對映的，而是按照

記憶體頁

為單位進行對映，一般一個

記憶體頁

的大小為 4KB（為什麼要加一般呢，這是因為除了4KB，還有其他大小的記憶體頁，如2MB，4MB，1GB等），

頁表

的每一個

頁表項

都儲存著物理記憶體頁的地址。

所以，4GB 的虛擬記憶體空間需要 1MB 大小的頁表來關聯（因為 4GB / 4KB = 1MB）。也就是說，0 ~ 4095 的虛擬記憶體地址都是使用

頁表

的第一個

頁表項

來對映的，而 4096 ~ 8191 的虛擬記憶體地址使用

頁表

的第二個

頁表項

來對映的，以此類推。。。

那麼，透過什麼樣的演算法能把 0 ~ 4095 的虛擬記憶體地址轉換為頁表的第一個頁表項呢？其實很簡單，只需要把虛擬記憶體地址的高階 20 位作為頁表的索引，而把低端 12 位作為記憶體頁中的偏移量即可，如下圖：

在上圖中，還看到了一個

cr3

的東西，這是 CPU 中的一個暫存器，用於儲存

頁表

的物理記憶體地址，透過這個暫存器就能找到程序的

頁表

了。

現在對記憶體對映的原理有了比較清晰的瞭解了，但現在有個問題，每個程序都要 1MB 大小的頁表，那不是很浪費記憶體嗎？的確是，因為程序很多虛擬記憶體地址並不會用到，為了節省頁表使用的記憶體，x86 CPU 把頁表分為 2 級，如下圖：

如上圖所示，把原來的

頁表

劃分為

頁目錄

和

頁表

，它們的大小均為 4KB。而虛擬記憶體地址的高 10 位作為頁目錄的索引，而中間 10 位作為頁表的索引，低 12 位還是作為物理記憶體頁的偏移量。

把原來的

頁表

劃分為兩級後，程序有些不使用的虛擬記憶體地址就不需要進行對映，從而節省了記憶體的使用。