Kako funkcioniraju paging, TLB i page faultovi?

Question

IT Interview Practice · Accepted Answer

**Paging** i **segmentacija** dva su načina organizacije virtualnog adresnog prostora; moderni sustavi su u velikoj mjeri temeljeni na pagingu (ponekad s tankim slojem segmentacije na vrhu).

## Paging

Virtualna i fizička memorija razrezane su na **stranice (pages)** i **frameove** fiksne veličine (obično 4 KB). **Page table** mapira virtualnu stranicu → fizički frame. Adresa se dijeli na **broj stranice (page number)** (indeks u tablicu) i **offset**:

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

Page tablice su velike, pa su **višerazinske (multi-level)** (stablo) ili hashirane, i obilazi ih hardverski **MMU**.

## TLB: da bude brzo

Obilazak višerazinske page tablice pri svakom pristupu memoriji bio bi poguban. **TLB (Translation Lookaside Buffer)** je mali, brzi cache nedavnih prijevoda virtualno→fizičko unutar CPU-a:

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

Stope TLB pogodaka (hit) obično su >99%; promašaj (miss) je skup, zbog čega su **spatial locality** (prostorna lokalnost) i značajke poput **huge pages** (2 MB — manje unosa za pokrivanje iste količine RAM-a) važne za performanse.

## Page faultovi

Ako unos u page tablici kaže da stranica **nije u RAM-u** (ili su njezini bitovi zaštite prekršeni), MMU podiže trap **page fault**. OS ga obrađuje: učita stranicu s diska (*major* fault), popuni novu stranicu nulama ili copy-on-write. Page fault koji pogodi disk košta milijune ciklusa — otud važnost držanja working seta u RAM-u.

## Segmentacija

**Segmentacija** dijeli memoriju po **logičkoj jedinici** — kod, podaci, stack — na **segmente promjenjive veličine**, adresirane kao `[segment selector | offset]`. Prirodno se mapira na strukturu programa, ali pati od **vanjske fragmentacije (external fragmentation)** (rupe promjenjive veličine). Čista segmentacija uglavnom je povijesna; x86 zadržava zakržljali oblik, ali ga Linux izravnava i oslanja se na paging.

## Zašto je to važno

Paging, TLB i page faultovi mjesto su gdje se "virtualna memorija" susreće sa stvarnim performansama. Ispitivači ovime provjeravaju povezujete li apstrakcije s hardverskim troškom: zašto huge pages smanjuju TLB promašaje, zašto oluja page faultova ruši latenciju i zašto se obrasci pristupa prijateljski prema cacheu/TLB-u izvode brzo. To je i bitna pozadina za memory-mapped datoteke, copy-on-write i thrashing.

Paging

TLB: da bude brzo

Page faultovi

Segmentacija

Zašto je to važno

Povezana pitanja