诸多因素使得有必要严格控制对内存区域的访问。有些内存，如包含执行代码的部分，显然应该是只读的，操作系统决不能允许进程对此区域的写操作。相反包含数据的页面应该是可写的， 但是去执行这段数据肯定将导致错误发生。多数处理器至少有两种执行方式：核心态与用户态。任何人都不会允许在用户态下执行核心代码或者在用户态下修改核心数据结构。
图3.2 Alpha AXP页表入口
页表入口中的访问控制信息是处理器相关的；图3.2是Alpha AXP处理器的PTE(Page Table Entry)。这些位域的含义如下： V
有效，如果此位置位，表明此PTE有效 FOE
“执行时失效”，无论合时只要执行包含在此页面中的指令，处理器都将报告页面错误并将控制传递 FOW
“写时失效”, 除了页面错误发生在对此页面的写时，其他与上相同。 FOR
“读时失效”，除了页面错误发生在对此页面的读时，其他与上相同。 ASM
地址空间匹配。被操作系统用于清洗转换缓冲中的某些入口。 KRE
运行在核心模式下的代码可以读此页面。 URE
运行在用户模式下的代码可以读此页面。
GH
将整个块映射到单个而不是多个转换缓冲时的隐含粒度。 KWE
运行在核心模式下的代码可以写此页面。 UWE
运行在用户模式下的代码可以写此页面。 page frame number
对于V位置位的PTE，此域包含了对应此PTE的物理页面框号；对于无效PTE，此域不为0，它包含了页面在交换文件中位置的信息。 以下两位由Linux定义并使用。
_PAGE_DIRTY
如果置位，此页面要被写入交换文件。 _PAGE_ACCESSED
Linux用它表示页面已经被访问过。
3.2 高速缓冲
如果用上述理论模型来实现一个系统，它可能可以工作，但效率不会高。操作系统设计者和处理器设计者都在努力以提高系统的性能。除了制造更快的CPU和内存外，最好的办法是在高速缓冲中维护有用信息和数据以加快某些操作。Linux使用了许多与高速缓冲相关的内存管理策略。 Buffer Cache
这个buffer cache中包含了被块设备驱动使用的数据缓冲。
这些缓冲的单元的大小一般固定(例如说512字节)并且包含从块设备读出或者写入的信息块。块设备是仅能够以固定大小块进行读写操作的设备。所有的硬盘都是块设备。
利用设备标志符和所需块号作索引可以在buffer cache中迅速地找到数据。块设备只能够通过buffer cache来存取。如果数据在buffer cache中可以找到则无需从物理块设备(如硬盘)中读取，这样可以加速访问。 Page Cache
用来加速硬盘上可执行映象文件与数据文件的存取。
它每次缓冲一个页面的文件内容。页面从磁盘上读入内存后缓存在page cache中。
Swap Cache
只有修改过的页面存储在交换文件中。
只要这些页面在写入到交换文件后没有被修改，则下次此页面被交换出内存时，就不必再进行更新写操作，这些页面都可以简单的丢弃。在交换频繁发生的系统中，Swap Cache可以省下很多不必要且耗时的磁盘操作。
Hardware Caches
一个常见的hardware cache是处理器中的页表入口cache。处理器不总是直接读取页表而是在需要时缓存页面的转换。这种cache又叫做转换旁视缓冲(Translation Look-aside Buffers)，它包含系统中一个或多个处理器的页表入口的缓冲拷贝。
当发出对虚拟地址的引用时，处理器试图找到相匹配的TLB入口。如果找到则直接将虚拟地址转换成物理地址并对数据进行处理。如果没有找到则向操作系统寻求帮助。处理器将向操作系统发出TLB失配信号，它使用一个特定的系统机制来将此异常通知操作系统。操作系统则为此地址匹配对产生新的TLB入口。当操作系统清除此异常时，处理器将再次进行虚拟地址转换。由于此时在TLB中已经有相应的入口，这次操作将成功。
使用高速缓存的缺点在于Linux必须消耗更多的时间和空间来维护这些缓存，并且当缓存系统崩溃时系统也将崩溃。
3.3 Linux 页表
图3.3 Linux的三级页表结构
Linux总是假定处理器有三级页表。每个页表通过所包含的下级页表的页面框号来访问。图3.3给出了虚拟地址是如何分割成多个域的，每个域提供了某个指定页表的偏移。为了将虚拟地址转换成物理地址，处理器必须得到每个域的值。这个过程将持续三次直到对应于虚拟地址的物理页面框号被找到。最后再使用虚拟地址中的最后一个域，得到了页面中数据的地址。
为了实现跨平台运行，Linux提供了一系列转换宏使得核心可以访问特定进程的页表。这样核心无需知道 页表入口的结构以及它们的排列方式。 这种策略相当成功，无论在具有三级页表结构的Alpha AXP还是两级页表的Intel X86处理器中，Linux总是使 用相同的页表操纵代码。
3.4 页面分配与回收
对系统中物理页面的请求十分频繁。例如当一个可执行映象被调入内存时，操作系统必须为其分配页面。当映象执行完毕和卸载时这些页面必须被释放。物理页面的另一个用途是存储页表这些核心数据结构。虚拟内存子系统中负责页面分配与回收的数据结构和机制可能用处最大。
系统中所有的物理页面用包含mem_map_t结构的链表mem_map来描叙，这些结构在系统启动时初始化。每个 mem_map_t描叙了一个物理页面。其中与内存管理相关的重要域如下：
count
记录使用此页面的用户个数。当这个页面在多个进程之间共享时，它的值大于1。 age
此域描叙页面的年龄，用于选择将适当的页面抛弃或者置换出内存时。 map_nr
记录本mem_map_t描叙的物理页面框号。 页面分配代码使用free_area数组来寻找和释放页面，此机制负责整个缓冲管理。另外此代码与处理器使用的页面大小和物理分页机制无关。
free_area中的每个元素都包含页面块的信息。数组中第一个元素描叙1个页面，第二个表示2个页面大小的块而接下来表示4个页面大小的块，总之都是2的次幂倍大小。list域表示一个队列头，它包含指向mem_map数组中page数据结构的指针。所有的空闲页面都在此队列中。map域是指向某个特定页面尺寸的页面组分配情况位图的指针。当页面的第N块空闲时，位图的第N位被置位。 图free-area-figure画出了free_area结构。第一个元素有个自由页面（页面框号0），第二个元素有4个页面大小的2个自由块，前一个从页面框号4开始而后一个从页面框号56开始。
3.4.1 页面分配
Linux使用Buddy算法来有效的分配与回收页面块。页面分配代码每次分配包含一个或者多个物理页面的内存块。页面以2的次幂的内存块来分配。这意味着它可以分配1个、2个和4个页面的块。只要系统中有足够的空闲页面来满足这个要求(nr_free_pages>min_free_page)，内存分配代码将在free_area中寻找一个与请求大小相同的空闲块。free_area中的每个元素保存着一个反映这样大小的已分配与空闲页面 的位图。例如，free_area数组中第二个元素指向一个反映大小为四个页面的内存块分配情况的内存映象。
分配算法首先搜寻满足请求大小的页面。它从free_area数据结构的list域着手沿链来搜索空闲页面。如果没有这样请求大小的空闲页面，则它搜索两倍于请求大小的内存块。这个过程一直将持续到free_area 被搜索完或找到满足要求的内存块为止。如果找到的页面块大于请求的块则对其进行分割以使其大小与请求块匹配。由于块大小都是2的次幂所以分割过程十分简单。空闲块被连进相应的队列而这个页面块被分配给调用者。