从零写OS（七）：虚拟内存，给每个程序一个假的地址空间

Wed, 06 May 2026 07:00:00 +0000

上一章内核能分配物理页了，但用的全是物理地址。

物理地址有个问题：全局唯一，谁都能访问。进程 A 如果知道进程 B 的物理地址，直接就能读写它的数据。这不行。

解决方案是虚拟内存：每个程序看到的地址都是"假的"，CPU 访问时由硬件自动翻译成真实的物理地址。程序互相隔离，谁也看不见谁。

地址翻译的硬件机制：四级页表

x86-64 的地址翻译靠 MMU（Memory Management Unit，内存管理单元，CPU 内部硬件，负责把虚拟地址翻译成物理地址）完成，翻译规则写在页表里，页表的根地址放在 CR3 寄存器里。

一个 64 位虚拟地址被这样拆开：

63        48 47    39 38    30 29    21 20    12 11       0
[  符号扩展  | PML4_IDX | PDPT_IDX | PD_IDX | PT_IDX | 页内偏移 ]
               9 bit      9 bit      9 bit    9 bit    12 bit

翻译过程是四级查表：

CR3 → PML4[PML4_IDX] → PDPT[PDPT_IDX] → PD[PD_IDX] → PT[PT_IDX] → 物理页帧

每级页表是一个 512 项的数组，每项 8 字节，刚好占满一个 4KB 页。每项的低 12 位是 flags，高位是下一级页表（或最终物理页）的地址。

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从零写OS（七）：虚拟内存，给每个程序一个假的地址空间

地址翻译的硬件机制：四级页表