分頁的第一步要準備好一個頁表，我們的頁表是什么樣子呢？現在我們要設計一個頁表啦。

設計頁表其實就是設計內存布局，不過在規劃內存布局之前，我們需要了解用戶進程與操作系統之間的關系。

前面講保護模式時，我們知道，為了計算機安全，用戶進程必須運行在低特權級，當用戶進程需要訪問硬件相關的資源時，需要向操作系統申請，由操作系統去做，之后將結果返回給用戶進程。進程可以有無限多個，而操作系統只有一個，所以，操作系統必須“共享”給所有用戶進程。它們的關系見圖:

上圖不僅展示了用戶進程共享操作系統的邏輯依賴關系，還用插槽展示了它們的配合關系，用戶進程要想完成某件工作，需要與操作系統結合在一起才行，那用戶進程和操作系統它們是什么關系呢？

要完成一件事，用戶進程做的事情只能算個半成品，您可以理解成：用戶的代碼加上所需要的操作系統中的部分代碼才算完整的程序，為什么說是操作系統中的部分代碼呢？原因很簡單，因為操作系統嚴格來說是一套功能的集合，用戶進程所需要的部分可能僅僅是其中的一小小部分，并不是所有功能都會用到。用戶進程能用哪些功能，是由操作系統決定的，不是用戶想用什么就用什么，而是操作系統提供什么它就用什么。完整的程序概念見圖：

它和操作系統需要共同配合才能完成一件事，它們的關系有如服務提供商和客戶的關系。服務提供商提供一些服務，客戶只能用這些服務，也就是說客戶依賴于服務提供商提供的服務項目，是服務提供商主導客戶。比如咱們在網上買東西，咱們只需要挑選好商品后寫好地址，然后下訂單就成了。這事完了嗎？必須沒有，得拿到商品才算完事。所以，之后的事情就交給電商了，他們為你從庫中挑選商品，然后用物流送到您家，這才拿到了商品，到此才算完事了。

以上購物的例子就是典型的用戶程序和操作系統的關系，咱們挑商品下單這件事就相當于進程，而網上的電商才是充當了操作系統的角色，根據買家的需求找到所需要的資源，然后通過物流，將商品（結果）返回。

上述所說的用戶進程和操作系統的關系，都是基于用戶進程共享操作系統。我們設計的頁表也要滿足這個基本要求：共享。

如何在頁表中實現共享呢？這個簡單，只要操作系統屬于用戶進程的虛擬地址空間就好了。

說起來簡單，這該怎么做呢？我們可以把4GB虛擬地址空間分成兩部分，一部分專門劃給操作系統，另一部分就歸用戶進程使用。比如我們之前都聽說過，操作系統在4GB內存的高地址，用戶進程在4GB內存的低地址。比如linux，它就運行在虛擬地址的3GB以上，其它用戶進程都運行在3GB以下。

頁表的設計是要根據內存分布情況來決定的，我們也學習linux的作法，在用戶進程4GB虛擬地址空間的高3GB以上的部分劃分給操作系統，0~3GB是用戶進程自己的虛擬空間。為了實現共享操作系統，讓所有用戶進程3GB~4GB的虛擬地址空間都指向同一個操作系統，也就是所有進程的虛擬地址3GB~4GB本質上都是指向的同一片物理頁地址，這片物理頁上是操作系統的實體代碼。實現起來也比較容易，只要保證所有用戶進程虛擬地址空間3GB~4GB對應的頁表項中所記錄的物理頁地址是相同的就行啦。哈哈，這句話確實有點長，我自己也反復斷句了幾次，不過這個在加載用戶進程時咱們再細說，在此我們只需要完成內存空間劃分就行了。

以上我們討論的結果是：虛擬地址空間的0~3GB是用戶進程，3GB~4GB是操作系統。

本節內容摘自《操作系統真象還原》

總結

以上是生活随笔為你收集整理的一步步编写操作系统 40 内存分页下用户程序与操作系统的关系的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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