相信很多人都知道Windows頁表自映射一說，也曉得Linux內核的一一線性映射。然而很多人也僅僅就是知道而已，記住一個結論比理解一個原因要簡單得多。
上周末，有人極具挑釁態度的問我能否分別用一句話描述它們，我承認我不是布道者，也難以說出”道可道，非常道“的玄語，但我十分贊同老子的觀點，能說出來的道就不是大道，雖難以說出，但卻可以解釋，說到解釋，那就是越詳細越好了，冗長並不總是貶義詞。在這樣的心理慰藉下，才會有以下的文字，雖已深更，卻不無聊...
本文基於32位Intel體系結構討論！怕打字跟不上思維，有些地方只好缺失嚴謹性，比如在應該寫下”1G內存或者2G內存(後者處在2G/2G模式下)“的時候，我會直接寫”1G內存“，但是並不總是這樣。
1.虛擬地址空間概述
現代操作系統上，物理內存不再對程序可見。也就是說，程序指令本身以及其訪問的任何數據都處在虛擬地址空間，機器通過一個叫做MMU的機構將其映射為真實的物理內存頁面。
程序直接訪問的地址為虛擬地址，訪問地址(也包含取指等)會觸發MMU工作，MMU自動將訪問的地址映射到真實的物理地址，如果沒有分配物理頁面，將會觸發缺頁異常，系統捕獲該異常，之後默默地分配一個頁面，重新發起由於沒有分配頁面而失敗的訪問，所有這一切都是自動且默默地發生的，對應用程序是完全透明的。頁面調度這個機制完美地迎合了程序訪問的局部性原則。
虛擬地址填充整個32位地址空間，為了管理的高效性，很多的系統將這32位的地址空間拆分成了兩個部分，即用戶空間和內核空間。但是記住，這個拆分並不是必須的！所謂的內核空間和用戶空間在Intel體系上表現為特權環0和特權環3。根本上的意義是，一個任務有一個滿32位的地址空間，如果某個系統將進程32位的地址空間拆成了兩個部分，那麼則說明該任務進程本身包含內核特權環0的部分，如果沒有拆分，那麼就說明該任務進程沒有內核部分。Remenber，一個滿32位的地址空間使用一套MMU頁表！
如果一個進程沒有內核部分，當系統中斷，系統異常，或者該進程本身調用系統調用的時候，怎麼辦呢？不要被現有的Linux，Windows的實現迷惑了，再次聲明，拆分地址空間並不是必須的！如果在沒有拆分地址空間的情況下出現上述情況，很簡單，切換MMU頁表即可，也就是說，系統單獨維護一個滿32位的內核地址空間為所有的滿32位地址空間的進程服務！
說了這麼多，該來點實例了，我們熟知的Linux，Windows系統，可以支持3G/1G模式，意即滿32位的進程地址空間中，用戶態占3G，內核態占1G；可以是2G/2G模式，解釋同上，這些都是拆分地址空間的情況，這些情況在進入內核態的時候叫做陷入內核，因為即使進入了內核態，還處在同一個地址空間中，並不切換CR3寄存器。還有一種模式是4G/4G模式，即不拆分地址空間的情況，內核單獨占有一個4G的地址空間，所有的用戶進程獨享自己的4G地址空間，這種模式下，在進入內核態的時候，叫做切換到內核，因為需要切換CR3寄存器(切換MMU頁表)，所以進入了不同的地址空間！
說到這裡，應該知道為何文檔上說4G/4G模式雖然解放了內核地址空間，使其可以容納更多的管理機構，然而會付出一點小的代價了吧，所謂的代價就是切換CR3以及所有因此而引發的副作用！
2.Windows地址空間
一直我都以為，一個好的開始會帶來令人愉快的結果，一個不好的開始會讓人很累！確實是這樣。很多人想理解Windows頁表自映射，然後去google，去百度，得到的結果幾乎都是在解釋以下這個宏定義：
#define MiGetVirtualAddressMappedByPte(PTE) ((PVOID)((ULONG)(PTE) << 10))
於是很多人都在糾結於那個魔術字10，畫了N個圖，但是基本都是在抄襲Dave Probert很久前寫的一篇文章《Windows Kernel Internals II Processes, Threads, VirtualMemory》。關鍵是最終還是沒有講明白。本來是一個很簡單的事情，被卻無端復雜化了。我覺得就是沒有找到一個好的開始。什麼是好的開始呢？
我認為我找到了，那就是WIndows進程虛擬地址空間的布局！如果這個布局設計的原則你搞明白了，那些宏你自己也能寫出來了！不管怎麼說，在看圖之前，還是要先說一下Windows地址空間設計的原則，那就是：每個進程擁有自己單獨的滿32位地址空間！不管是3G/1G模式，還是2G/2G模式，還是4G/4G模式，每個進程都是獨立的虛擬地址空間，這也是現代操作系統的設計原則，並非Windows獨創。在這些單獨的地址空間中，所有進程擁有相同的映射規則，比如虛擬地址XX不管在進程A還是在進程B，映射的都是自己的進程控制塊PCB...如下圖所示：
其實知道了這個，悟性好的同學可能已經知道自映射的設計細節了，但是我還是繼續下去吧，以免讓人家說我虎頭蛇尾。
頁表自映射，一個神奇的映射方式，為什麼呢？它可不僅僅是為了節省4K的內存空間，雖然它確實可以節省4K的內存空間。最要緊的是，頁表自映射機制提供了一套內核空間直接訪問任意頁面的高效方式。在講頁表自映射前，我先說一下WIndows的線性映射機制，即“頁表項虛擬地址和進程地址空間虛地址頁面的線性映射關系”，簡稱頁表的線性映射。(注意和下一節中要講的Linux的內核虛擬地址和物理地址的線性映射相區分）
Windows頁表的線性映射理解起來很簡單。Windows的所有頁表處在地址空間的固定部分且按照虛擬地址連續分布，那麼所有的頁表項的虛擬地址也是連續分布，從最開始處，連續的頁表項負責連續的虛擬地址的映射，如下圖所示：
注意，直到現在，我都沒有提到頁目錄，因為頁目錄純粹是為了多級頁表而引入的，Windows只是借助了頁目錄的概念，無形中用將頁表映射到虛擬地址空間而取消了頁目錄帶來的4K開銷。Windows只是在地址空間的固定位置開始連續映射所有的頁表，這些頁表當中存在一個頁表的頁表，即頁目錄，頁目錄就這樣湮沒在頁表中了。且往下看！
有了這個基礎做依托，後面的自映射以及神奇的宏就是一個自然而然的結果了。為何這麼說呢？分別來說。
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