多年来我一直试图弄清楚这个问题，但每次我都不明白。我非常了解分页、页表和页表目录在 Linux 中的工作原理，但我只是不明白为什么实际上需要它们。
为什么我们需要分页和页表级别（Linux 使用 4 个级别）的问题似乎是您无法在同一时刻加载所有内存。但是我们不能只加载选定数量的页面和地址而不加载所有目录吗？
我知道我们需要了解某个帧在物理内存中的位置，但是为什么我们不能直接检索大页表的某个子集呢？那会导致什么问题呢？我知道如果我们不使用页面+偏移量，整个事情就会太大，但是目录真的能解决任何问题吗？
关于不同系统如何划分地址的位以构建页表级别有很多讨论，但最终我们总是会为条目提供 32/64 位。我们无法解决更多问题（除了cr3像 PAE 那样的寄存器上的技巧），拆分它们有什么意义呢？最后，（我将简化）“目录 3，子目录 5，页 7，偏移量 2”比仅仅说“地址 3572”更好吗？
更糟糕的是，如果 CPU 没有帮助我们（我猜它有内置电路可以在 1 个时钟周期内完成所有过程？不太确定！），如果必须检索所有内容，效率岂不是会降低很多吗？每次内存访问时的目录和子目录，而不是直接检索逻辑/物理内存映射，然后访问所需的地址？
答案1
具有多个级别的原因是为了节省空间。
考虑如果没有多个级别，需要什么。如果有 48 位地址空间（当前的 x86_64 cpu 没有提供完整的 64 位），并且您使用 4k 字节页面大小（12 位），那么您将拥有 2 的 36 次方页面。
如果您可以将映射信息放入 64 位（8 字节），那么您将需要 8 * 2**36 字节或 512Gb 内存来保存转换表。
该表的几乎所有内容都将被设置为表示“无效地址”的值。
通过多个级别，您可以减少转换表的空间需求。如果将64位地址空间分为current_unused/PML4/PDPT/PD/PT/address_in_page的16/9/9/9/9/12位，那么PML4表只需要512个条目，其中510可能是值代表“无效地址”，其余2指向PDPT的两个512条目的数组。如果我们到此为止，那么我们就将所需的空间从 2**36 个条目减少到大约 2 + 2**27 个条目，不到原始线性要求的 0.2%。当然，它并不止于此，还有 3 个额外级别，尽管它们往往不会提供那么大的节省。