一个32位机器，如果采用一级页表，要使用4MB的内存来做页表。如何计算出这个结论的？
为什么32位的系统内存最大为4GB？
下面请看走近科学。
1. 虚拟内存和物理内存
在操作系统之中，进程是资源分配的最小单位。那么也就是说每一个进程都有独立的一块资源。这里的资源包括：
- 页表——对应虚拟内存资源
- 文件描述符表——对应打开的文件资源
- 寄存器——对应运行时数据
- 信号控制信息/进程运行信息
我们就来讲讲这里面的”页表“。
按照之前的描述，页表对应的是虚拟内存资源。那么什么是虚拟内存资源呢？存在的意义是什么呢？
对于程序而言，内存分配是必不可少的。但是如果直接让每个程序都对于物理内存直接操作，那么势必会有很多问题：比如冲突，占用等等。所以OS就将内存分配这件事做完了，对于每个进程而言，其所看到的都是OS给出的”虚拟空间“，在这个空间里面，不需要担心其他进程来修改自己的变量，不需要担心要抢夺资源的事情。那么OS如何去将”虚拟内存“和”物理内存“匹配上呢？这就需要页表了。
在Linux之中，将虚拟内存分成一个个的页(Page),其中每个页的大小是4KB。将物理内存分成一个个的”帧(Frame)”，大小和页的大小一样。然后OS会维护一个页表，这个页表之中记录的是页和帧的对应关系。
那么先来回答第二个问题。在内存之中，每一个位置都是一个Byte，8个bit。一级页表的意思是，所有的虚拟内存和物理内存都在这一张表之中匹配。那么为了对应到每一个内存单元，寄存器之中的命令是32位的，也就是:
4*2^10*2^10*2^10=4Gb的寻址空间，那么每一个寻址空间都可以对应一个内存之中的Byte，所以最大内存为4GB。
再来回答第一个问题：既然要所有的页表都在一个空间之中，那么可以得到：4GB/4KB=1M个对应的表项。
每一个页表项中都保存了很多东西，比如最基本的虚拟页号和物理页号、页偏移、页是否有效的有效位（比如表明是否已分配该页内存）、页是否可读/写/执行的保护位、页是存在于内存还是存在于交换分区的存在位、页是否修改过的脏位、页是否最近访问过的访问位，等等。
一般而言我们对一个页表项要分配4B的内存。那么综合起来，页表的总大小就是4MB。
刚刚我们还提到了一个概念，叫做页偏移。每一个页之中还有4KB的空间，那么如何标识数据在这个页内部的位置呢？这个页偏移就可以帮到我们了。
逻辑地址转换成物理地址的过程是：用页号p去检索页表，从页表中得到该页的物理块号，把它装入物理地址寄存器中。同时，将页内地址d直接送入物理地址寄存器的块内地址字段中。这样，物理地址寄存器中的内容就是由二者拼接成的实际访问内存的地址，从而完成了从逻辑地址到物理地址的转换。
不同进程的页表是不同的，因为其虚拟内存都是从头开始，那么为了避免混淆，一定要对每个进程有独立的页表。
2. TLB（translation lookaside buffer）
啥是TLB啊？听起来玄之又玄是不？就是普通的缓存概念而已。CPU的Memory management unit (MMU) cache了最近使用的页面映射，每次需要映射时候我先去这个TLB里面找找，如果找到了就直接返回对应的物理地址的操作，没找着就去内存接着找，然后采用一定的方式，比如LRU这种方式将TLB之中权重最低的一项替换掉。
3. 多级页表——Linux倾情代言
上面讲了，在页表项之中有个东西叫页是否有效的有效位（比如表明是否已分配该页内存），也就是说，页可以无效（没有对应的物理内存）。这很正常对不对，比如我待机状态只用了几百M的内存，你直接给我把8G全都分了，是不是没有必要？
那么这个时候多级页表的作用就体现出来了。先把参考链接放出来：https://www.cnblogs.com/f-ck-need-u/p/11783425.html
多级页表啥意思呢？就是我给你页表也分个表出来，叫页目录(page Director)。并且我在页目录之中记好了你这个页表是否有效。啥时候页表无效呢？当其对应的页全都无效——全都没有对应的物理内存的时候，页表就无效。如果某页表无效，就不为这段空间的页维护页表，这样就能减小页表的大小。这个逻辑其实很简单：对于没有分配的页，没有必要去记录这些页的翻译方式。
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这样子是不是就可以节省空间了？这就是多级页表，也是Linux之中正在使用的方式。
