1. 虚拟内存
进程不会直接访问物理内存，进程能够看到的地址空间是虚拟地址空间，虚拟地址通过一定的规则关联到物理地址，简单理解为下图：
2. 页
在虚拟内存中，内存以页为单位进行划分，以便于管理，地址转换也是以页为单位进行的，对于X86_64系统，页的大小为4KB。计算机物理内存也被划分为同样大小的块，称为物理页帧。
2.1. 页表
操作系统以及MMU使用页表管理页，页表中存储着页表项，页表项记录着虚拟地址到物理地址的映射关系。每个进程都有自己独立的页表，这确保了进程地址空间的隔离性。当 CPU 切换到某个进程执行时，CR3 寄存器（在 x86 架构下）会被加载指向该进程的顶级页表的物理地址。
2.2. 多级页表
现代系统地址空间巨大（如 64 位系统），不会使用一个巨大的单级页表来存储所有映射。因此，页表通常是多级的，实际工作中，MMU会根据当前进程的顶级页表基址，一层一层得遍历，在最后一级页表中找到目标虚拟页对应的页表项。
2.3. 页表项
页表的内容：
- 物理页帧号： 指示该虚拟页当前映射到的物理页帧的起始地址。
- 存在位： 表示该虚拟页当前是否在物理内存中。如果为 0，访问该页会触发缺页中断，进而终止程序。
- 读/写权限位： 控制该页是可读、可写还是只读。
- 用户/超级用户权限位： 控制用户态进程是否可以访问该页（内核页通常只能在内核态访问）。
- 访问位： 被硬件置位，表示该页最近被访问过（用于页面置换算法如 LRU）。
- 修改位： 被硬件置位，表示该页的内容被修改过（需要写回磁盘后才能释放其物理页帧）。
- 其他标志位： 如全局页、禁用缓存、NX（不可执行）位等。
当 CPU 执行指令访问一个虚拟地址时，MMU 自动查阅当前进程的页表，将该虚拟地址翻译成对应的物理地址。而且不同进程的页表项可以指向同一个物理页帧，用于共享，例如动态链接库。
3. 映射关系
虚拟页不一定时刻都有物理页帧与之对应，也不一定连续地映射到物理内存上。一个虚拟页可以映射到一个物理页帧，也可以映射到磁盘上的交换空间，或者暂时没有映射（未分配）。
4. TLB
现代系统使用多级页表（如 x86_64 的 4 级页表）。每次地址转换需多次访问内存（遍历每一级页表），可能需 4~5 次内存访问才能完成一次转换。内存访问速度远低于 CPU 速度，直接导致性能严重下降。考虑到程序的局部性原理，程序在短时间内倾向于集中访问少量内存页（如循环代码、连续数据），这些页的地址转换结果（映射关系）可被缓存复用。
TLB 是一个硬件缓存（通常由 SRAM 实现），存储最近使用过的虚拟页号 → 物理页帧号的映射关系。每个条目相当于一个页表项的副本（含物理页号 + 权限位）。现代 CPU 通常包含多级 TLB（如 L1 TLB、L2 TLB），容量逐级增大但速度略慢。
如果我们把页表看作一本厚重的“电话簿”，TLB 就是手机“常用联系人列表”——你不需要每次都翻电话簿查号码，最近联系过的人名和号码会被快速缓存。