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分頁和頁表

除了分段，空間管理的第二種常見方式是分頁。

Linux將虛擬記憶體劃分成固定大小的頁（Linux中的頁大小是4KB），並且以頁作為操作記憶體的最小單元。例如一次性讀取一頁，虛擬記憶體中的頁稱為虛擬頁。對應的，物理記憶體也會劃分成固定大小的頁來管理，稱為物理頁，也常稱為頁框或頁幀（page frame）。物理頁和虛擬頁的大小相等。

值得註意的是，雖然虛擬記憶體和物理記憶體都將空間全部劃分成頁，但不可能會為所有虛擬頁分配好所有對應的物理頁，所以虛擬頁有一個有效位的屬性，如果該頁有分配對應的物理頁，則有效，否則無效。

為了將虛擬頁的頁號（Virtual page number，VPN）和物理頁的頁號（Physical page number, PPN）也對應起來，也需要進行地址翻譯。如圖所示。

為了完成這個翻譯過程，操作系統為每個進程都維護了一個稱為頁表（page table）的數據結構。頁表中的每項代表一個頁的映射信息，也稱為頁表項（Page Table Entry，PTE）。

註意，頁表是每個進程都有一個的，因為每個進程的虛擬地址空間都是獨立的，各進程中的頁映射到物理頁自然也是不同的。

每一個頁表項中都保存了很多東西，比如最基本的虛擬頁號和物理頁號、頁偏移、頁是否有效的有效位（比如表明是否已分配該頁記憶體）、頁是否可讀/寫/執行的保護位、頁是存在於記憶體還是存在於交換分區的存在位、頁是否修改過的臟位、頁是否最近訪問過的訪問位，等等。

通過分段+分頁的方式，不再為整個地址空間分配一個頁表，而是為每個段落分配一個頁表，這樣每個頁表的大小就減小了，而且段落是獨立管理的，那麼每個段落中的頁表的訪問頻繁度也將不一樣。在文件系統中，分段+分頁的思想體現為塊組+數據塊。但是分段+分頁的方式也是有缺點的，它雖然為每個段劃分頁表，但仍然為所有的記憶體劃分了頁，且總頁表大小並沒有改變。所以，操作系統不使用這種方案。

第二種方案是使用多級頁表，也是Linux中使用的方案，它不依賴於分段。它的思想是：如果某頁表中包含的所有頁表項都是無效的頁（例如未分配的），就不為這段空間的頁維護頁表，這樣就能減小頁表的大小。這個邏輯其實很簡單：對於沒有分配的頁，沒有必要去記錄這些頁的翻譯方式。

由於不是所有頁都維護了頁表，所以使用一個稱為頁目錄（Page Director）的數據結構去記錄所有的頁表（通過指向頁表的指針記錄），並標記每個頁表是否有效，頁表有效表示該頁表已經分配，這也意味著該頁表中一定有正在使用中的有效頁。因為頁目錄是頁表的更高一層次，所以稱為多級頁表。

下圖顯示了使用線性頁表和多級頁表的不同之處。線上性頁表中，儘管有連續的頁是無效頁，但仍然維護了4個頁表。而在多級頁表中，沒有為那些連續無效的頁維護頁表。顯然，使用多級頁表減小了頁表的大小。