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
分页的第一步要准备好一个页表，我们的页表是什么样子呢？现在我们要设计一个页表啦。
设计页表其实就是设计内存布局，不过在规划内存布局之前，我们需要了解用户进程与操作系统之间的关系。
前面讲保护模式时，我们知道，为了计算机安全，用户进程必须运行在低特权级，当用户进程需要访问硬件相关的资源时，需要向操作系统申请，由操作系统去做，之后将结果返回给用户进程。进程可以有无限多个，而操作系统只有一个，所以，操作系统必须“共享”给所有用户进程。它们的关系见图:
上图不仅展示了用户进程共享操作系统的逻辑依赖关系，还用插槽展示了它们的配合关系，用户进程要想完成某件工作，需要与操作系统结合在一起才行，那用户进程和操作系统它们是什么关系呢？
要完成一件事，用户进程做的事情只能算个半成品，您可以理解成：用户的代码加上所需要的操作系统中的部分代码才算完整的程序，为什么说是操作系统中的部分代码呢？原因很简单，因为操作系统严格来说是一套功能的集合，用户进程所需要的部分可能仅仅是其中的一小小部分，并不是所有功能都会用到。用户进程能用哪些功能，是由操作系统决定的，不是用户想用什么就用什么，而是操作系统提供什么它就用什么。完整的程序概念见图：
它和操作系统需要共同配合才能完成一件事，它们的关系有如服务提供商和客户的关系。服务提供商提供一些服务，客户只能用这些服务，也就是说客户依赖于服务提供商提供的服务项目，是服务提供商主导客户。比如咱们在网上买东西，咱们只需要挑选好商品后写好地址，然后下订单就成了。这事完了吗？必须没有，得拿到商品才算完事。所以，之后的事情就交给电商了，他们为你从库中挑选商品，然后用物流送到您家，这才拿到了商品，到此才算完事了。
以上购物的例子就是典型的用户程序和操作系统的关系，咱们挑商品下单这件事就相当于进程，而网上的电商才是充当了操作系统的角色，根据买家的需求找到所需要的资源，然后通过物流，将商品（结果）返回。
上述所说的用户进程和操作系统的关系，都是基于用户进程共享操作系统。我们设计的页表也要满足这个基本要求：共享。
如何在页表中实现共享呢？这个简单，只要操作系统属于用户进程的虚拟地址空间就好了。
说起来简单，这该怎么做呢？我们可以把4GB虚拟地址空间分成两部分，一部分专门划给操作系统，另一部分就归用户进程使用。比如我们之前都听说过，操作系统在4GB内存的高地址，用户进程在4GB内存的低地址。比如linux，它就运行在虚拟地址的3GB以上，其它用户进程都运行在3GB以下。
页表的设计是要根据内存分布情况来决定的，我们也学习linux的作法，在用户进程4GB虚拟地址空间的高3GB以上的部分划分给操作系统，0~3GB是用户进程自己的虚拟空间。为了实现共享操作系统，让所有用户进程3GB~4GB的虚拟地址空间都指向同一个操作系统，也就是所有进程的虚拟地址3GB~4GB本质上都是指向的同一片物理页地址，这片物理页上是操作系统的实体代码。实现起来也比较容易，只要保证所有用户进程虚拟地址空间3GB~4GB对应的页表项中所记录的物理页地址是相同的就行啦。哈哈，这句话确实有点长，我自己也反复断句了几次，不过这个在加载用户进程时咱们再细说，在此我们只需要完成内存空间划分就行了。
以上我们讨论的结果是：虚拟地址空间的0~3GB是用户进程，3GB~4GB是操作系统。
本节内容摘自《操作系统真象还原》
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