Jak fungují paging, TLB a page faults?

Question

IT Interview Practice · Accepted Answer

**Paging** a **segmentace** jsou dva způsoby organizace virtuálního adresního prostoru; moderní systémy jsou drtivě založené na pagingu (někdy s tenkou vrstvou segmentace nahoře).

## Paging

Virtuální a fyzická paměť se dělí na **stránky (pages)** a **framy** pevné velikosti (typicky 4 KB). **Page table** mapuje virtuální stránku → fyzický frame. Adresa se rozdělí na **číslo stránky (page number)** (index do tabulky) a **offset**:

```text
 virtual address  =  [ page number | offset ]
                          │            │
              page table[page] = frame │
                          ▼            ▼
 physical address =  [   frame    | offset ]
```

Page tables jsou velké, takže jsou **víceúrovňové** (strom) nebo hashované a prochází je hardwarová **MMU**.

## TLB: aby to bylo rychlé

Procházení víceúrovňové page table při každém přístupu do paměti by bylo ochromující. **TLB (Translation Lookaside Buffer)** je malá, rychlá cache nedávných překladů virtuální→fyzická uvnitř CPU:

```text
CPU needs addr → TLB hit?  ── yes ──▶ get frame immediately (~1 cycle)
                    │
                    └── no (TLB miss) → walk the page table, fill the TLB (slower)
```

Míra zásahů TLB je běžně >99 %; miss je nákladný, což je důvod, proč na výkon má vliv **spatial locality** (prostorová lokalita) a funkce jako **huge pages** (2 MB — méně záznamů pokryje stejnou RAM).

## Page faults

Pokud záznam v page table říká, že stránka **není v RAM** (nebo jsou porušeny její ochranné bity), MMU vyvolá trap **page fault**. OS jej obslouží: načte stránku z disku (*major* fault), vynuluje novou stránku nebo provede copy-on-write. Page fault, který jde na disk, stojí miliony cyklů — proto záleží na udržení working setu v RAM.

## Segmentace

**Segmentace** rozděluje paměť podle **logické jednotky** — code, data, stack — na segmenty **proměnné velikosti**, adresované jako `[segment selector | offset]`. Přirozeně se mapuje na strukturu programu, ale trpí **externí fragmentací** (díry proměnné velikosti). Čistá segmentace je převážně historická; x86 si drží zbytkovou podobu, ale Linux ji zplošťuje a spoléhá na paging.

## Proč je to důležité

Paging, TLB a page faults jsou místem, kde se „virtuální paměť“ setkává se skutečným výkonem. Tazatelé to používají ke zjištění, zda propojujete abstrakce s hardwarovou cenou: proč huge pages snižují TLB misses, proč bouře page faultů sráží latenci a proč vzory přístupu přátelské k cache/TLB běží rychle. Je to také nezbytný základ pro memory-mapped soubory, copy-on-write a thrashing.

Paging

TLB: aby to bylo rychlé

Page faults

Segmentace

Proč je to důležité

Související otázky