OS漫谈--内存虚拟化--分页：多级页表

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分页机制在操作系统中应用广泛，但同时也带来了性能开销和内存占用问题。具体而言，分页引入了额外的内存访问次数，增加了系统开销，同时页表大小问题也颇为突出。在32位系统中，页面大小为4KB，页表项为4字节，因此一个大小为4MB的页表需要存储1M个页表项。对于100个进程，这意味着需要占用400MB的内存空间。

为了解决这两个问题，操作系统引入了分页机制的优化技术，如TLB（Translation Lookaside Buffer）和多级页表。

分页机制的优化，首先通过TLB技术减少了内存访问次数。TLB是高速缓存，专门用于存储最近访问过的页表项，使得系统能够快速定位到对应的数据位置，从而降低内存访问的延迟。

为了进一步优化页表占用的内存空间，引入了多级页表。多级页表将页表分为多个层次，每个层次都代表一个更大的内存空间。在分页机制中，将页表分成页大小的单元，即每个层次表示特定数量的页。通过这种方法，可以去除所有无效区域的页表项，节省内存空间。在多级页表中，页目录项有效，意味着该PDE（page directory entries）指向的页表中至少有一项是有效的。页目录表可以追踪页表的页是否有效，或者整个页表不包含有效页。

多级页表的思想是将页表分成页大小的单元，如果整页的页表项无效，则不分配该页。通过这种方式，可以节省内存空间。多级页表通过页目录表和页表表来追踪页的有效性。页目录表可以告诉系统页表的页在哪里，或者页表的整个页不包含有效页。多级页表能够减少内存占用，同时提供高效访问。

以XV6为例，其页表分析部分展示了分页机制在现代操作系统中的应用。XV6通过多级页表和其他优化技术，实现了高效而灵活的内存管理，为用户程序提供了一个稳定、高效的运行环境。