本文的封面图来源于Pixiv，原作者是リング。

本文中的内容基于MIPS32架构，不同架构的页表设计可能有所不同。

对于文章中的单位，「K」等单位表示2的幂而不是10的幂。详见二进制词头以及国际单位制词头。

页目录自映射的实质：采用一级页表，并将页表放置在kseg2中以减少物理内存占用。

若虚拟地址空间为4GB，页面大小为4KB，则整个虚拟地址空间对应1M个页，若每个页表项为4B，则一共要占用4MB内存。

此时，可以将页表放置在kseg2中，kseg2将经过MMU进行地址翻译，未使用的页面无需分配物理内存，达到减少物理内存占用的目的。

例如，对于如下页表（注意，为了方便计算，页表起始地址需要对齐4M边界）

虚拟内存中的页表

假设现在要将虚拟地址转化为物理地址，需要访问页表，但页表也在虚拟地址空间中，需要通过页表转化为物理地址，也就是说，我们需要第C 0C00到第C 1000个虚拟页的物理地址。

这个范围对应的页表项，显然也存在于页表中，具体地说，虚拟地址为：

  • C 0C00 --> C 0C00 * 4 + C0C0 0000 = C0F0 3000
  • C 1000 --> C 1000 * 4 + C0C0 0000 = C0F0 4000

显然，这个范围刚好对应一页。

要能获得页表项所在的物理地址，需要首先通过虚拟地址为C0F0 3000到C0F0 4000的页表项内容进行转化（实践中，需要提前将该虚拟地址范围的映射关系存储到TLB中，该4KB空间刚好对应一页，占用一个TLB条目，假设对应物理地址0000 8000--0000 9000的物理页），这一页的内容称为页目录。

如下图：

页表中的页目录

从本质上，我们使用的是一级页表，只是将其放到了需要进行地址转换的区域。但「将一级页表放到需要进行地址转换的区域」的结果是，在页表中恰好有一页（在预设的页大小、虚拟地址空间大小下），对应了整个页表区域从虚拟地址到物理地址的映射，这一页称为页目录。

从上图可以看出，页表中页目录对应的页表项，其映射到的物理地址正是页目录这一页所在的物理地址，这正是「页目录自映射」这一名称的由来。

在进行地址转换时，过程如下（假设要进行转换的虚拟地址为0x1234 5678，页表起始虚拟地址为0xC0C0 0000，页目录所在的物理页地址为0x0000 8000到0x0000 9000，如上图）：

  1. 取出虚拟页号（页大小为4KB，虚拟地址的第12到31位为虚拟页号）：0x12345678 >> 12 = 0x12345
  2. 按一级页表计算偏移量（假设每个页表项占用4字节）：0x12345 * 4 = 0x48D14
  3. 加上页表基地址，得到对应的页表项所在的虚拟地址：0xC0C0 0000 + 0x48D14 = 0xC0C48D14
  4. 现在，又需要将该虚拟地址转换为物理地址，取出虚拟页号：0xC0C48D14 >> 12 = 0xC0C48
  5. 按一级页表计算偏移量：0xC0C48 * 4 = 0x303120
  6. 加上页表基地址，得到对应的页表项所在的虚拟地址：0xC0C0 0000 + 0x303120 = 0xC0F0 3120，注意，此步计算出的地址一定位于页目录中（页目录的虚拟地址范围：0xC0F0 3000到0xC0F0 4000）
  7. 已知页目录的物理地址从0x0000 8000开始，计算偏移量可得对应的页表项存储物理地址：(0xC0F0 3120 - 0xC0F0 3000) + 0x0000 8000=0x0000 8120
  8. 从该物理地址读取页表项，可得到虚拟地址0xC0C48D14对应的物理地址，从该处读取页表项，可得到虚拟地址0x12345678对应的物理地址，转换结束。

可以看出，虽然从本质上，使用的是一级页表，但由于页表本身位于需要进行地址转换的区域，仍然发生了两次地址转化，这相当于使用了二级页表。

事实上，页目录中的每一个页表项，正好相当于二级页表中的第一级页表的页表项。

例如，以上图中的第0xC 0C00页为例，其是页目录中的第一个页表项，映射了虚拟 + 地址0xC0C0 0000到0xC0C0 1000，这个虚拟地址范围内存储了1K个页表项，映射的虚拟地址范围为4MB。相当于页目录中的一个页表项，最终对应4MB的虚拟内存空间。

事实上，对于上述地址转换过程，我们可以合并前几步：

  1. 第1到4步，(((0x1234 5678 >> 12) * 4 + 0XC0C0 0000) >> 12 = 0x1234 5678 >> 22 + 0XC 0C00，注意，0x1234 5678 >> 20相当于取虚拟地址的高10位，与二级页表设计中第一级页表索引相同。
    二级页表
  2. 合并第4到7步，得到页内偏移，(0x1234 5678 >> 22 + 0XC 0C00) * 4 + 0xC0C0 0000 - 0xC0F0 3000 = (0x1234 5678 >> 22) * 4 = 0x0000 0120，可以看出，其中4 * 0XC 0C00 + 0XC0C0 0000 - 0XC0F0 3000相互抵消，最终相当于根据一级页表索引计算出在一级页表内的偏移量。
  3. 加上页目录的物理地址，得到0x0000 8000 + 0x0000 0120 = 0x0000 8120，从该地址处可读取对应虚拟地址0xC0C48D14的「二级页表」的物理地址。
  4. 由二级页表索引，即可获取到物理地址。