页表到底是保存在内核空间中还是用户空间中？
页表，这个名字听起来有点技术性，但说白了，它就是我们电脑里给内存“编号”的系统。你可以把它想象成一本巨大的电话簿，只不过它记录的是虚拟地址和物理地址的对应关系。我们写程序的时候，用的都是虚拟地址，看起来很方便，但电脑实际执行的时候，需要知道这些虚拟地址到底在内存的哪个物理位置上。页表就是干这个的，它负责把我们脑子里想的那个地址，翻译成电脑身体里那个实际的地址。
那么问题来了，这本“电话簿”到底放在哪儿呢？是放在我们自己用电脑时看到的那些程序能接触到的“用户空间”，还是藏在电脑系统深处的“内核空间”里呢？这可是个关键问题，关系到我们电脑安全和运行效率。
答案是：页表，主要保存在内核空间中，但是用户空间中的程序也需要通过特定的方式间接访问它。
让我来跟你好好说道说道，为什么会是这样，以及这里面有什么门道。
为什么页表主要在内核空间？
想象一下，如果页表放在用户空间，那会发生什么？
1. 安全隐患： 用户空间的程序，说白了就是我们写的那些应用软件，比如浏览器、游戏、文档编辑器等等。这些程序就像住在出租屋里的租户，它们只能接触到自己那份空间里的东西。如果页表也放在用户空间，那意味着任何一个租户都可以随便翻看邻居家的地址，甚至修改自己地址本里的内容。这简直是乱了套！一个恶意程序，或者是一个写得不严谨的程序，很可能就会通过修改页表来访问不属于它的内存区域，比如读取其他程序的敏感数据（银行密码、个人文件），甚至修改操作系统自身的关键数据，这会导致系统崩溃或者被恶意控制。操作系统就没办法保证内存的隔离性，各个程序之间就不能安全地独立运行了。
2. 管理复杂性： 操作系统需要管理所有程序对内存的需求，这就像一个物业经理需要知道所有住户的总共有多少房间、每个房间分配给了谁、哪些房间是空置的等等。页表就是这个物业经理手里掌握的全局信息。如果页表分散在各个租户手里，物业经理要去协调就太困难了，得挨家挨户去问，效率极低。内核作为操作系统的核心，它本身就肩负着管理整个计算机资源（包括内存）的责任。将页表集中管理在内核空间，方便了内核统一分配、回收内存，以及进行内存保护。
3. 高效的内存管理： 内核需要频繁地进行内存的分配、映射、去映射等操作。如果页表在内核里，这些操作就变得非常高效，因为内核可以直接访问和修改这些数据结构。如果页表在用户空间，每次操作都需要通过“系统调用”这种慢吞吞的机制才能让内核去处理，效率大打折扣。
那用户空间的程序怎么访问页表呢？
虽然页表本身在内核空间，但我们写的程序确实需要它来运行。这是怎么做到的呢？
这里就涉及到一个重要的概念：CPU的内存管理单元（MMU）以及页表项（Page Table Entry, PTE）。
MMU是翻译官： 我们的CPU内部有一个叫做MMU的硬件部件，它是真正的“地址翻译器”。当你程序想访问一个虚拟地址时，MMU就会介入。
内核设置翻译规则： 内核在启动时，会为每个进程（就是你正在运行的一个程序）创建一套独立的页表。这套页表就放在内核空间的某个地方。内核会告诉CPU的MMU：“嘿，你看，这个进程的页表地址在这个地方。” 这个信息通常会通过一个特殊的CPU寄存器来传递，比如 x86架构下的CR3寄存器。
MMU查找页表： 当CPU要访问一个虚拟地址时，它会根据CR3寄存器找到当前进程的页表。然后，它利用这个虚拟地址中的一部分作为索引，在页表中查找对应的“页表项”（PTE）。
PTE包含物理地址信息： 每个页表项里都包含了虚拟页面映射到的物理页面的起始地址，还有一些控制位，比如是否允许读写、是否允许执行、是否被访问过等等。MMU拿到这个页表项后，就能根据里面记录的物理地址，加上虚拟地址的偏移量，计算出最终的物理地址，然后去访问内存。
页表遍历： 很多现代操作系统和CPU会采用多级页表来管理大量的内存。这意味着MMU可能需要遍历多层页表才能找到最终的页表项。每一级页表本身也是一个数据结构，而这些页表结构最终都属于内核管理。
所以，简单来说：
1. 页表（Page Tables）本身： 是操作系统内核维护的核心数据结构，存储在内核空间。它记录了所有进程的虚拟地址到物理地址的映射关系。
2. 页表项（Page Table Entries, PTEs）： 是页表中的每一条记录，包含了物理页面的起始地址以及访问权限等信息。
3. CPU的MMU： 是硬件，它根据内核设置的页表基地址（比如CR3寄存器），在需要进行内存访问时，自动去内核空间的页表中查找对应的页表项，完成地址翻译和权限检查。
4. 用户程序： 用户程序不知道页表的具体位置，它只需要给出虚拟地址。一旦给出虚拟地址，MMU就会自动去内核管理的页表中进行查询和翻译，并将结果返回给CPU执行。
总结一下我的理解：
你可以把内核空间想象成一个银行的金库，里面存放着银行的账本（页表）。我们用户（用户空间程序）要去银行存取钱（访问内存），不能直接进金库翻账本。我们只能通过银行柜台（系统调用）告诉银行工作人员（内核）我们要干什么。银行工作人员（内核）会根据我们的需求，去金库里的账本（页表）里查找，然后告诉我们是否可以操作，以及操作的具体方式。而CPU的MMU就像一个超级智能的银行柜员，它知道金库在哪里，并且能非常快速地帮我们根据账本信息完成地址翻译，只是它不会直接把账本拿出来给我们看，它只是按照账本的指示去办事的。
这种设计既保证了内存访问的安全和隔离，又提供了高效的内存管理能力，是现代操作系统内存管理的核心基石。
那么问题来了，这本“电话簿”到底放在哪儿呢？是放在我们自己用电脑时看到的那些程序能接触到的“用户空间”，还是藏在电脑系统深处的“内核空间”里呢？这可是个关键问题，关系到我们电脑安全和运行效率。
答案是：页表，主要保存在内核空间中，但是用户空间中的程序也需要通过特定的方式间接访问它。
让我来跟你好好说道说道，为什么会是这样，以及这里面有什么门道。
为什么页表主要在内核空间？
想象一下，如果页表放在用户空间，那会发生什么？
1. 安全隐患： 用户空间的程序，说白了就是我们写的那些应用软件，比如浏览器、游戏、文档编辑器等等。这些程序就像住在出租屋里的租户，它们只能接触到自己那份空间里的东西。如果页表也放在用户空间，那意味着任何一个租户都可以随便翻看邻居家的地址，甚至修改自己地址本里的内容。这简直是乱了套！一个恶意程序，或者是一个写得不严谨的程序，很可能就会通过修改页表来访问不属于它的内存区域，比如读取其他程序的敏感数据（银行密码、个人文件），甚至修改操作系统自身的关键数据，这会导致系统崩溃或者被恶意控制。操作系统就没办法保证内存的隔离性，各个程序之间就不能安全地独立运行了。
2. 管理复杂性： 操作系统需要管理所有程序对内存的需求，这就像一个物业经理需要知道所有住户的总共有多少房间、每个房间分配给了谁、哪些房间是空置的等等。页表就是这个物业经理手里掌握的全局信息。如果页表分散在各个租户手里，物业经理要去协调就太困难了，得挨家挨户去问，效率极低。内核作为操作系统的核心，它本身就肩负着管理整个计算机资源（包括内存）的责任。将页表集中管理在内核空间，方便了内核统一分配、回收内存，以及进行内存保护。
3. 高效的内存管理： 内核需要频繁地进行内存的分配、映射、去映射等操作。如果页表在内核里，这些操作就变得非常高效，因为内核可以直接访问和修改这些数据结构。如果页表在用户空间，每次操作都需要通过“系统调用”这种慢吞吞的机制才能让内核去处理，效率大打折扣。
那用户空间的程序怎么访问页表呢？
虽然页表本身在内核空间，但我们写的程序确实需要它来运行。这是怎么做到的呢？
这里就涉及到一个重要的概念：CPU的内存管理单元（MMU）以及页表项（Page Table Entry, PTE）。
MMU是翻译官： 我们的CPU内部有一个叫做MMU的硬件部件，它是真正的“地址翻译器”。当你程序想访问一个虚拟地址时，MMU就会介入。
内核设置翻译规则： 内核在启动时，会为每个进程（就是你正在运行的一个程序）创建一套独立的页表。这套页表就放在内核空间的某个地方。内核会告诉CPU的MMU：“嘿，你看，这个进程的页表地址在这个地方。” 这个信息通常会通过一个特殊的CPU寄存器来传递，比如 x86架构下的CR3寄存器。
MMU查找页表： 当CPU要访问一个虚拟地址时，它会根据CR3寄存器找到当前进程的页表。然后，它利用这个虚拟地址中的一部分作为索引，在页表中查找对应的“页表项”（PTE）。
PTE包含物理地址信息： 每个页表项里都包含了虚拟页面映射到的物理页面的起始地址，还有一些控制位，比如是否允许读写、是否允许执行、是否被访问过等等。MMU拿到这个页表项后，就能根据里面记录的物理地址，加上虚拟地址的偏移量，计算出最终的物理地址，然后去访问内存。
页表遍历： 很多现代操作系统和CPU会采用多级页表来管理大量的内存。这意味着MMU可能需要遍历多层页表才能找到最终的页表项。每一级页表本身也是一个数据结构，而这些页表结构最终都属于内核管理。
所以，简单来说：
1. 页表（Page Tables）本身： 是操作系统内核维护的核心数据结构，存储在内核空间。它记录了所有进程的虚拟地址到物理地址的映射关系。
2. 页表项（Page Table Entries, PTEs）： 是页表中的每一条记录，包含了物理页面的起始地址以及访问权限等信息。
3. CPU的MMU： 是硬件，它根据内核设置的页表基地址（比如CR3寄存器），在需要进行内存访问时，自动去内核空间的页表中查找对应的页表项，完成地址翻译和权限检查。
4. 用户程序： 用户程序不知道页表的具体位置，它只需要给出虚拟地址。一旦给出虚拟地址，MMU就会自动去内核管理的页表中进行查询和翻译，并将结果返回给CPU执行。
总结一下我的理解：
你可以把内核空间想象成一个银行的金库，里面存放着银行的账本（页表）。我们用户（用户空间程序）要去银行存取钱（访问内存），不能直接进金库翻账本。我们只能通过银行柜台（系统调用）告诉银行工作人员（内核）我们要干什么。银行工作人员（内核）会根据我们的需求，去金库里的账本（页表）里查找，然后告诉我们是否可以操作，以及操作的具体方式。而CPU的MMU就像一个超级智能的银行柜员，它知道金库在哪里，并且能非常快速地帮我们根据账本信息完成地址翻译，只是它不会直接把账本拿出来给我们看，它只是按照账本的指示去办事的。
这种设计既保证了内存访问的安全和隔离，又提供了高效的内存管理能力，是现代操作系统内存管理的核心基石。
网友意见
第一个问题，答案很明确：页表在内核空间中。
至于题主问的访问页表是否会陷入内核，这要看你是：
1. CPU地址翻译的过程中的页表访问；
2. 增加修改页表项。
如果是第一种，CPU地址翻译，那么这种访问是硬件完成的，整个过程不需要代码参与，没有任何性能上的损失。
如果是第二种，是会慢一些。
这种慢是为了安全，如果页表在用户空间，那么用户就可能自己修改页表，映射任意的内存地址，访问任何内存，甚至是直接操作硬件，进程间、内核的隔离保护就失去了意义。
而且，应用程序虽然可能频繁的malloc或者free，但在页表层面上，并不会频繁的创建、删除页表项，主要原因是，malloc/free操作的接口都是C库的接口，在C库里，还有另外一层次的封装，来保证不会频繁的提交页表的操作申请。
第二个问题：内核页表一般指的是内核地址空间的页表，用户页表表示用户地址空间的。
用32位操作系统作为例子，虽然操作系统有N个进程，每个进程都有各自页表，但内核的页表只有一个。当发生进程切换时，只有用户页表被切换走，内核页表并不改变。
具体的做法是，把地址空间的高1G或者2G的地址都固定划分给内核，用户进程只能使用低3G或者低2G的地址，这样无论进程如何切换，内核页表都不需要换出。
这也就是内核页表和用户页表的区别。
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