Comment fonctionnent le paging, le TLB et les page faults ?

Question

IT Interview Practice · Accepted Answer

Le **paging** et la **segmentation** sont deux façons d'organiser un espace d'adressage virtuel ; les systèmes modernes sont très majoritairement basés sur le paging (parfois avec une fine couche de segmentation par-dessus).

## Paging

La mémoire virtuelle et physique est découpée en **pages** et **frames** de taille fixe (typiquement 4 Ko). Une **page table** associe page virtuelle → frame physique. Une adresse se scinde en un **page number** (un index dans la table) et un **offset** :

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

Les page tables sont volumineuses, elles sont donc **multi-niveaux** (un arbre) ou hachées, et parcourues par le **MMU** matériel.

## Le TLB : rendre cela rapide

Parcourir une page table multi-niveaux à chaque accès mémoire serait paralysant. Le **TLB (Translation Lookaside Buffer)** est un petit cache rapide des traductions virtuel→physique récentes, à l'intérieur du CPU :

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

Les taux de hit du TLB sont normalement >99 % ; un miss coûte cher, c'est pourquoi la **spatial locality** (localité spatiale) et des fonctionnalités comme les **huge pages** (2 Mo — moins d'entrées pour couvrir la même RAM) comptent pour la performance.

## Page faults

Si l'entrée de la page table indique que la page **n'est pas en RAM** (ou que ses bits de protection sont violés), le MMU lève un trap **page fault**. L'OS le gère : charger la page depuis le disque (un fault *majeur*), remplir de zéros une nouvelle page, ou copy-on-write. Un page fault qui atteint le disque coûte des millions de cycles — d'où l'importance de garder le working set en RAM.

## Segmentation

La **segmentation** divise la mémoire par **unité logique** — code, data, stack — en **segments de taille variable**, adressés sous la forme `[segment selector | offset]`. Elle s'aligne naturellement sur la structure du programme mais souffre de **fragmentation externe** (des trous de taille variable). La segmentation pure est largement historique ; x86 en conserve une forme vestigiale, mais Linux l'aplatit et s'appuie sur le paging.

## Pourquoi c'est important

Le paging, le TLB et les page faults sont là où la « mémoire virtuelle » rencontre la performance réelle. Les recruteurs s'en servent pour vérifier si vous reliez les abstractions au coût matériel : pourquoi les huge pages réduisent les TLB misses, pourquoi une tempête de page faults fait plonger la latence, et pourquoi des motifs d'accès favorables au cache/TLB s'exécutent vite. C'est aussi un arrière-plan essentiel pour les memory-mapped files, le copy-on-write et le thrashing.

Paging

Le TLB : rendre cela rapide

Page faults

Segmentation

Pourquoi c'est important

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