页表（Page Table）

一、是什么？

页表是操作系统内存管理中的核心数据结构，用于实现虚拟内存到物理内存的地址映射。在分页存储管理系统中，内存被划分为固定大小的页（通常4KB），页表存储了每个虚拟页号到物理页框号的映射关系，相当于一个"地址翻译字典"。

二、解决什么问题

内存碎片问题：消除外部碎片，提高内存利用率
内存隔离问题：防止进程相互访问内存空间（安全隔离）
大地址空间问题：允许程序使用超过物理内存的虚拟地址空间
内存共享问题：实现多个进程共享同一物理页（如共享库）

三、核心结构

页表由多个页表项（Page Table Entry, PTE） 组成，每个PTE包含：

物理页框号（Frame Number）
存在位（Present Bit）：是否在物理内存中
访问权限位（读/写/执行）
修改位（Dirty Bit）：是否被写入
缓存禁用位等

四、应用场景

进程内存隔离：每个进程有自己的页表，实现地址空间隔离
按需分页：仅加载需要的页到内存（如Java的懒加载）
内存映射文件：文件直接映射到虚拟地址空间
共享内存：多个进程共享同一物理页（如Java NIO的MappedByteBuffer）
写时复制：父子进程共享只读页，写入时复制新页

五、Java示例（内存映射文件）

java

import java.io.RandomAccessFile;
import java.nio.MappedByteBuffer;
import java.nio.channels.FileChannel;

public class PageTableDemo {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        try (RandomAccessFile file = new RandomAccessFile("data.bin", "rw");
             FileChannel channel = file.getChannel()) {
            
            // 创建内存映射（利用页表机制）
            MappedByteBuffer buffer = channel.map(
                FileChannel.MapMode.READ_WRITE,  // 读写权限
                0,                               // 起始位置
                1024 * 1024                      // 映射大小(1MB)
            );
            
            // 直接操作映射内存
            buffer.put(0, (byte) 0x41); // 写入'A'
            System.out.println((char) buffer.get(0)); // 读取并打印
        }
    }
}

六、重要注意事项

TLB（快表）：CPU缓存常用页表项，加速地址转换
多级页表：解决大地址空间下的页表内存占用问题（如x86四级页表）
缺页中断：访问不在内存的页会触发OS加载页面
内存开销：页表本身占用内存（64位系统更显著）
安全风险：页表漏洞可能导致特权提升（如Meltdown漏洞）

七、总结

页表是现代操作系统的内存管理基石，通过虚拟地址到物理地址的映射，解决了内存碎片、进程隔离和地址空间扩展等核心问题。在Java开发中，虽然开发者不直接操作页表，但JVM的垃圾回收、内存映射文件(NIO)等机制都深度依赖页表实现。理解页表有助于诊断内存相关异常（如OOM）和优化程序内存使用。

💡 知识扩展：Java 15引入的ZGC垃圾回收器使用多映射页表技术，允许同一物理页映射到多个虚拟地址，显著减少STW（Stop-The-World）时间。

页表（Page Table） ​

一、是什么？ ​

二、解决什么问题 ​

三、核心结构 ​

四、应用场景 ​

五、Java示例（内存映射文件） ​

六、重要注意事项 ​

七、总结 ​