Bagaimana paging, TLB, dan page fault bekerja?

Question

IT Interview Practice · Accepted Answer

**Paging** dan **segmentation** adalah dua cara mengorganisasi ruang alamat virtual; sistem modern secara luar biasa berbasis paging (kadang dengan lapisan tipis segmentation di atasnya).

## Paging

Memory virtual dan fisik dipotong menjadi **page** dan **frame** berukuran tetap (biasanya 4 KB). Sebuah **page table** memetakan page virtual → frame fisik. Sebuah alamat terbelah menjadi **nomor page (page number)** (indeks ke dalam tabel) dan sebuah **offset**:

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

Page table berukuran besar, sehingga mereka bersifat **multi-level** (sebuah pohon) atau di-hash, dan ditelusuri (walk) oleh **MMU** hardware.

## TLB: membuatnya cepat

Menelusuri page table multi-level pada setiap akses memory akan sangat melumpuhkan. **TLB (Translation Lookaside Buffer)** adalah cache kecil dan cepat berisi terjemahan virtual→fisik terbaru di dalam CPU:

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

Rasio TLB hit biasanya >99%; sebuah miss itu mahal, itulah mengapa **spatial locality** dan fitur seperti **huge page** (2 MB — lebih sedikit entri untuk menutupi RAM yang sama) penting untuk performa.

## Page fault

Jika entri page-table menyatakan page **tidak ada di RAM** (atau bit proteksinya dilanggar), MMU memunculkan trap **page fault**. OS menanganinya: memuat page dari disk (fault *major*), mengisi page baru dengan nol, atau copy-on-write. Sebuah page fault yang mengenai disk menghabiskan jutaan cycle — karena itu menjaga working set tetap di RAM itu penting.

## Segmentation

**Segmentation** membagi memory berdasarkan **unit logis** — code, data, stack — menjadi **segment berukuran variabel**, dialamati sebagai `[segment selector | offset]`. Ia memetakan secara alami ke struktur program tetapi menderita **external fragmentation** (lubang berukuran variabel). Segmentation murni sebagian besar bersifat historis; x86 mempertahankan bentuk sisa, tetapi Linux meratakannya dan mengandalkan paging.

## Mengapa ini penting

Paging, TLB, dan page fault adalah tempat "virtual memory" bertemu performa nyata. Pewawancara menggunakan ini untuk memeriksa apakah Anda menghubungkan abstraksi dengan biaya hardware: mengapa huge page mengurangi TLB miss, mengapa badai page-fault menjatuhkan latency, dan mengapa pola akses yang ramah cache/TLB berjalan cepat. Ini juga latar belakang esensial untuk memory-mapped file, copy-on-write, dan thrashing.

Paging

TLB: membuatnya cepat

Page fault

Segmentation

Mengapa ini penting

Pertanyaan terkait