从页表到主内存的OS映射

什么是页表？

在操作系统中，物理内存被划分成一个个固定大小的块，称为页面（Page）。而虚拟内存也被划分成相同大小的块，称为虚拟页面（Virtual Page）。页表（Page Table）中保存了虚拟页面与实际物理页面的对应关系，它是操作系统实现虚拟内存管理的核心数据结构。

页表的作用

页表用于记录虚拟内存与物理内存之间的映射关系，当CPU访问虚拟内存时，操作系统需要通过页表将虚拟地址转换成物理地址，再通过物理地址访问实际的内存单元。

页表的结构

每个进程都有自己的独立页表，在Linux中，页表是由一个二维数组来实现的，具体结构如下：

struct task_struct {
    struct mm_struct *mm;
};

struct mm_struct {
    pgd_t *pgd;
};

typedef unsigned long pgd_t;

struct pgd {
    pgdval_t pgd;
};

typedef unsigned long pgdval_t;

struct pte {
    pteval_t pte;
};

typedef unsigned long pteval_t;

其中，pgd_t代表页全局目录项，pgd代表页全局目录。每个进程都有唯一的一个页全局目录项，并且该项保存了指向页目录表的指针。页目录表保存了指向页表的指针，而页表则保存了指向物理页面的指针。

页表的操作

• 地址转换

当CPU需要访问某个虚拟地址时，操作系统需要先获取该进程的页全局目录项，然后通过页全局目录项找到页目录，再通过页目录找到页表，最后通过页表找到相应的物理内存页面。这个过程称为地址转换，其过程如下：

• 页面置换

当物理内存不够用时，操作系统需要将某些页面置换到磁盘上以释放空间。通常情况下，操作系统会选择置换最近最少使用的页面，以达到最小化置换的目的。

问题及解决方法

• 页表的访问速度比较慢，如何提高访问速度？

答：可以使用快速查找算法，例如TLB（Translation Lookaside Buffer）缓存，它是一种高速缓存，用于存放最近访问的页表信息，从而提高访问速度。

• 如何保护页表不被恶意程序修改？

答：可以使用硬件支持的页表保护机制，例如Intel x86架构中的多级页表（Multilevel Page Table）和写保护（Write Protect）位。多级页表可以保护整个页表及其子页面，而写保护位则可以保护单个页面。