由于很多童鞋大學的時候學《微機原理》都是打醬油，當老師是蒼蠅在講臺上發噪音，導致MMU這些基本知識都沒有搞清楚，所以對計算機的認識一塌糊涂,Linux也無法學通。然后我經常被問到各種奇葩到讓人吐血的內存管理問題，這些問題顯示出這些童鞋對最基本的MMU和頁表工作機制不清楚。我覺得我不得不寫點什么東西，讓這些打醬油的童鞋，把基本的馬步扎穩，當然這不是為了別人，也不是為了無私奉獻，純粹是為了避免無數次被問到吐血，遲早有一天吐血而亡。為了能夠活地久一點，特作此文。

假設頁表只有一級

對于一個有MMU的CPU而言，MMU開啟后，CPU是這樣尋址的：CPU任何時候，一切時候，發出的地址都是虛擬地址，這個虛擬地址發給MMU后,MMU通過頁表來在頁表里面查出來這個虛擬地址對應的物理地址是什么，從而去訪問外面的內存條。MMU里面的頁表地址寄存器，記錄了頁表本身的存放位置。

現在我們假設每一頁的大小是4KB，而且假設頁表只有一級，這個頁表長成下面這個樣子，頁表的每一行是32個bit。

當CPU訪問虛擬地址0的時候，MMU會去查上面頁表的第0行，發現第0行沒有命中，于是無論以何種形式（R讀，W寫，X執行）訪問，MMU都會給CPU發出page fault，CPU自動跳到fault的代碼去處理fault。

當CPU訪問虛擬地址4KB的時候，MMU會去查上面頁表的第1行(4KB/4KB=1)，發現第1行命中，如果這個時候

用戶是執行讀或者執行，則MMU去訪問內存條的6MB這個地址，因為頁表里面記錄該頁的權限是RX；

用戶是去寫4KB，由于頁表里面第1行記錄的權限是RX，沒有記錄你有寫的權限，MMU會給CPU發出page fault，CPU自動跳到fault的代碼去處理fault。

當CPU訪問虛擬地址8KB+16的時候，MMU會去查上面頁表的第2行(8KB/4KB=2)，發現第2行命中了物理地址8M，這個時候，MMU會訪問內存條的8MB+16這個物理地址。當然，權限檢查也是需要的。

…

當CPU訪問虛擬地址3GB的時候，MMU會去查上面頁表的第3GB/4KB行，表中記錄命中了，查到虛擬地址3GB對應的物理地址是0，于是MMU去訪問內存條上的地址0。但是，這個訪問分成2種情況：

CPU在執行用戶態程序的時候，去訪問3GB，由于頁表里面記錄的U+K權限只有K，所以U是沒權限的，MMU會給CPU發出page fault，CPU自動跳到fault的代碼去處理fault；

CPU在執行內核態程序的時候，去訪問3GB，由于頁表里面記錄的U+K權限只有K，所以K是有權限的，MMU不會給CPU發出page fault，程序正常執行。

由此可以得知，如果頁表只有1級，每4KB的虛擬地址空間就需要頁表里面的一行（32bit），那么CPU要覆蓋到整個4GB的內存，就需要這個頁表的大小是：

4GB/4KB *4 = 4MB。

注意頁表是無縫全覆蓋！！！你頁表不覆蓋全，CPU訪問虛擬地址的時候，MMU都不知道查哪里了....

所以，這個頁表的大小是4MB，覆蓋了整個0-4GB的虛擬地址空間，任何一個虛擬地址，都可以用地址的高20位（由于一頁是4KB，低12位就是葉內偏移了），作為頁表這個表的行號去讀對應的頁表項。

這個查水表的過程，由MMU硬件自動完成。

現在我們假設在Linux里面有2個進程，一個是QQ，一個是Firefox，他們的頁表分別如下：

當CPU在執行QQ的時候，Linux會把QQ的頁表的物理地址255MB，填入MMU的頁表地址寄存器，于是這個時候，QQ的頁表生效。根據頁表內容，CPU如果訪問4KB這個虛擬地址的話，MMU訪問內存條的6MB物理地址；CPU如果訪問8KB這個虛擬地址的話，MMU訪問內存條的8MB物理地址；CPU如果訪問3GB這個虛擬地址的話，MMU訪問內存條的0MB物理地址；

當CPU在執行Firefox的時候，Linux會把Firefox的頁表的物理地址280MB，填入MMU的頁表地址寄存器，于是這個時候，Firefox的頁表生效，QQ的頁表淡出江湖。根據頁表內容，CPU如果訪問4KB這個虛擬地址的話，MMU訪問內存條的100MB物理地址；CPU如果訪問8KB這個虛擬地址的話，MMU訪問內存條的200MB物理地址；CPU如果訪問3GB這個虛擬地址的話，MMU訪問內存條的0MB物理地址。

上面我們發現一個共同點，QQ和Firefox去訪問3GB虛擬地址的時候，最終MMU訪問的都是0MB這個物理地址，具體原因非常簡單，QQ和Firefox，這2張頁表里面，3GB/4KB這一行，里面填的是完全一樣的東東。

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多級頁表：真實的存在在

上面我們發現，如果采用一級頁表的話，每個進程都需要1個4MB的頁表，這個空間浪費還是很大，于是我們可以采用二級或者三級頁表。舉例如下，假設我們用地址的高10位作為一級頁表的索引，中間10位作為2級頁表的索引。CPU訪問虛擬地址16，這個地址如果分解為10/10/12位的話，就是這個樣子：

那么MMU會用0這個下標去訪問一級頁表（一級頁表的地址填入MMU的頁表地址寄存器）的第0行，第0行的內容寫的是2MB(此處不再是最終的物理地址，而是二級頁表的物理地址),證明二級頁表的地址在2MB，于是MMU自動去以中間的10位作為下標，去查詢位置在2MB的二級頁表,在2級頁表里面，最終查到第0頁(地址范圍0x00000000~0x00000FFF)這個虛擬地址的物理地址是1GB，于是MMU去訪問內存條的1GB+16這個物理地址。

據以上分析，1級頁表占據的內存是2的10次方，再乘以4，即4KB。而每個二級頁表，也是2的10次方，再乘以4，即4KB。分級機制的主要好處是，二級頁表不是一定存在了，比如一級頁表的第2行不命中，也即如下地址都無效的話：

那么這一行對應的二級頁表，就整個都不需要了，于是就省掉了這段區間4KB二級頁表的內存占用。頁表當然還有是三級甚至更多。

至于有多級頁表的時候，其實MMU也只需要知道一級頁表的基地址即可。每次切換進程的時候，把一級頁表的地址重新填入MMU，把新的進程的頁表激活即可。

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編輯：黃飛

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