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参考：Linux--内存管理浅谈_51CTO博客_linux 内存 管理

在操作系统中，页表（Page Table）用于实现虚拟内存到物理内存的地址映射。随着虚拟地址空间的增大，页表的大小也会相应增长，导致单级页表在某些情况下占用大量内存。采用二级页表（或多级页表）可以有效地减少页表本身所占用的内存空间。下面详细说明为什么二级页表比单级页表更加节省地址空间。

一级页表：需要一个连续且完整的页表来映射整个虚拟地址空间。因为每个虚拟页都需要一个页表项，所以操作系统必须在进程启动时预先分配整个页表，即使大部分页表项未被使用。

二级页表：采用分层结构，页目录只需包含指向实际使用的二级页表的指针。只有当某个虚拟页被访问时，相关的二级页表才会被分配和初始化。这种按需分配方式避免了为未使用的虚拟页分配页表项，从而节省了内存。

1. 单级页表的内存消耗问题

假设一个系统使用32位虚拟地址和4KB的页大小，那么：

• 每个页面的偏移地址为12位（因为 2^12=4096 字节）。

• 虚拟地址的其余部分（32-12=20位）用于页号。

单级页表需要为每一个可能的页号存储一个页表项（Page Table Entry, PTE）。因此，页表的大小为：

页表大小=2^20×PTE大小

假设每个PTE占4字节，则：

页表大小=2^20×4字节=4MB

对于每一个进程，操作系统都需要为其分配一个4MB的页表，即使进程实际使用的内存远小于4MB，这部分未使用的页表空间也会被浪费。

2. 二级页表的结构

二级页表将单级页表分成多个较小的页表页（Page Table Page）。具体来说，虚拟地址被分为多个部分，例如：

• 目录索引（Directory Index）：用于选择一级页表中的一个页目录项。

• 页表索引（Page Table Index）：用于选择二级页表中的具体页表项。

• 页内偏移（Offset）：用于页面内部的地址定位。

以32位地址空间为例，可以将地址分为：

• 10位目录索引

• 10位页表索引

• 12位页内偏移

这样，一级页表（页目录）包含 2^10=1024 个页目录项，每个页目录项指向一个二级页表。每个二级页表同样包含1024个页表项。

3. 节省地址空间的原因

采用二级页表后，只有那些被实际使用的二级页表才会被分配内存。假设一个进程只使用虚拟地址空间的部分区域，可能只需要部分的二级页表，而不需要整个单级页表。

举例说明：

假设一个进程只使用4MB的虚拟内存：

• 4MB / 4KB = 1024个页。

• 需要的二级页表数目 = 1（因为一个二级页表可以管理1024个页）。

• 页目录需要的空间 = 1024个页目录项，每个4字节，共4KB。

总共需要的页表空间为：

页目录+一个二级页表=4KB+4KB=8KB

而使用单级页表则需要4MB，显著减少了内存开销。

4. 进一步优化

多级页表（如二级页表）不仅限于两级，还可以扩展为三级、四级等，以适应更大的地址空间，同时进一步优化页表的内存使用。例如，现代的x86-64架构使用四级页表，以支持更大的虚拟地址空间。

5. 总结

二级页表通过分层管理页表，将页表的内存分配与实际使用的虚拟地址空间相对应，避免了单级页表中大量未使用的页表项所造成的内存浪费。这种分层结构使得页表更加高效地利用地址空间，特别是在虚拟地址空间较大且实际使用较为稀疏的情况下，二级页表能够显著减少操作系统的内存开销