初探 Windows 下的现代内存寻址

本文介绍 x64 架构 Windows 系统中虚拟地址转换为物理地址的核心机制。

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简介

简单说一下 x64 架构的 Windows 系统虚拟地址转换为物理地址的逻辑。

基础概念

关键术语

四级分页结构

64 位的 Windows 系统使用了长模式内存寻址方案，也就是 4 级分页：

PML4 → PDPT → PD → PT → Physical Address

每个页表包含 512 个条目（Entry），从 PT 开始计算：

虚拟地址结构

虚拟地址 64 位中有 48 位用于寻址，高位没有实际使用：

数据结构定义：

typedef union _virt_addr_t
{
    void* value;
    struct
    {
        std::uint64_t offset : 12;       // 页内偏移
        std::uint64_t pt_index : 9;      // PT 索引
        std::uint64_t pd_index : 9;      // PD 索引
        std::uint64_t pdpt_index : 9;    // PDPT 索引
        std::uint64_t pml4_index : 9;    // PML4 索引
        std::uint64_t reserved : 16;     // 保留位
    };
} virt_addr_t, *pvirt_addr_t;

地址翻译流程

整个寻址逻辑是：先从 CR3 中拿到当前页表的基地址，根据索引找到表中的具体条目，从这个条目里获取下一级页表的基地址。这个过程像接力一样重复 4 次，最终找到物理内存地址。

PML4（Page Map Level 4）

CR3 寄存器

CR3 是一切寻址的起点。通过 _readcr3() 获取 CR3 的值，该值存储了当前进程 PML4 的物理基地址。

typedef union _cr3
{
    std::uint64_t flags;
    struct
    {
        std::uint64_t reserved1 : 3;
        std::uint64_t page_level_write_through : 1;
        std::uint64_t page_level_cache_disable : 1;
        std::uint64_t reserved2 : 7;
        std::uint64_t dirbase : 36;      // PML4 物理基地址（PFN）
        std::uint64_t reserved3 : 16;
    };
} cr3;

为什么只有 36 位？ 因为物理内存页面以 4KB 对齐，低 12 位永远为 0，不需要存储。使用时将 PFN 左移 12 位即可得到真实物理地址。

PML4E 结构

PML4 表是一个占用 4096 字节（4KB）的物理内存页，由 512 个 PML4E 组成，每个 PML4E 占用 8 字节（64 位）。

typedef union _pml4e
{
    std::uint64_t value;
    struct
    {
        std::uint64_t present : 1;           // 必须为 1，否则区域无效
        std::uint64_t rw : 1;                // 0 = 只读，1 = 可写
        std::uint64_t user_supervisor : 1;   // 0 = 仅内核访问
        std::uint64_t page_write_through : 1;
        std::uint64_t page_cache : 1;
        std::uint64_t accessed : 1;          // 是否被访问过
        std::uint64_t Ignored1 : 1;
        std::uint64_t page_size : 1;         // PML4E 必须为 0
        std::uint64_t Ignored2 : 4;
        std::uint64_t pfn : 36;              // PDPT 的页帧号
        std::uint64_t reserved : 4;
        std::uint64_t Ignored3 : 11;
        std::uint64_t nx : 1;                // 1 = 禁止执行
    };
} pml4e, *ppml4e;

计算公式

目标 PML4E 地址 = PML4 基地址 + (PML4 索引 × 8)

获取 pfn 后，左移 12 位得到 PDPT 基地址。

PDPT（Page Directory Pointer Table）

PDPTE 结构

PDPT 和 PML4 一样，由 512 个 PDPTE 组成：

typedef union _pdpte
{
    std::uint64_t value;
    struct
    {
        std::uint64_t present : 1;
        std::uint64_t rw : 1;
        std::uint64_t user_supervisor : 1;
        std::uint64_t page_write : 1;
        std::uint64_t page_cache : 1;
        std::uint64_t accessed : 1;
        std::uint64_t Ignored1 : 1;
        std::uint64_t page_size : 1;         // 1 = 映射 1GB 大页
        std::uint64_t Ignored2 : 4;
        std::uint64_t pfn : 36;              // PD 的页帧号
        std::uint64_t reserved : 4;
        std::uint64_t Ignored3 : 11;
        std::uint64_t nx : 1;
    };
} pdpte, *ppdpte;

计算公式

目标 PDPTE 地址 = PDPT 基地址 + (PDPT 索引 × 8)

PD（Page Directory）

PDE 结构

typedef union _pde
{
    std::uint64_t value;
    struct
    {
        std::uint64_t present : 1;
        std::uint64_t rw : 1;
        std::uint64_t user_supervisor : 1;
        std::uint64_t page_write : 1;
        std::uint64_t page_cache : 1;
        std::uint64_t accessed : 1;
        std::uint64_t Ignored1 : 1;
        std::uint64_t page_size : 1;         // 1 = 映射 2MB 大页
        std::uint64_t Ignored2 : 4;
        std::uint64_t pfn : 36;              // PT 的页帧号
        std::uint64_t reserved : 4;
        std::uint64_t Ignored3 : 11;
        std::uint64_t nx : 1;
    };
} pde, *ppde;

计算公式

目标 PDE 地址 = PD 基地址 + (PD 索引 × 8)

PT（Page Table）

到 PT 已经是最后一级页表了。

PTE 结构

typedef union _pte
{
    std::uint64_t value;
    struct
    {
        std::uint64_t present : 1;
        std::uint64_t rw : 1;
        std::uint64_t user_supervisor : 1;
        std::uint64_t page_write : 1;
        std::uint64_t page_cache : 1;
        std::uint64_t accessed : 1;
        std::uint64_t dirty : 1;             // 是否被写入过
        std::uint64_t page_access_type : 1;
        std::uint64_t global : 1;            // 全局页
        std::uint64_t ignored2 : 3;
        std::uint64_t pfn : 36;              // 物理页帧号
        std::uint64_t reserved : 4;
        std::uint64_t ignored3 : 7;
        std::uint64_t protect_key : 4;       // 保护密钥
        std::uint64_t nx : 1;
    };
} pte, *ppte;

计算公式

目标 PTE 地址 = PT 基地址 + (PT 索引 × 8)

最终物理地址

从 PTE 获取的 pfn 左移 12 位后，加上虚拟地址的低 12 位偏移，得到最终物理地址：

物理地址 = (PTE.pfn << 12) + 虚拟地址.offset

完整翻译流程总结

1. 从 CR3 获取 PML4 基地址
2. PML4 基地址 + (PML4索引 × 8) → PML4E → 获取 PDPT 基地址
3. PDPT 基地址 + (PDPT索引 × 8) → PDPTE → 获取 PD 基地址
4. PD 基地址 + (PD索引 × 8) → PDE → 获取 PT 基地址
5. PT 基地址 + (PT索引 × 8) → PTE → 获取物理页帧号
6. (PFN << 12) + offset → 最终物理地址

演示代码

TODO

参考链接

• OSDev Wiki - Page Tables
• Self Referencing Page Tables
• OSDev Wiki - Memory Management