Paging e segmentation sono due modi di organizzare uno spazio di indirizzamento virtuale; i sistemi moderni sono in gran parte basati sul paging (a volte con un sottile strato di segmentation sopra).
La memoria virtuale e fisica sono tagliate in e di dimensione fissa (tipicamente 4 KB). Una mappa pagina virtuale → frame fisico. Un indirizzo si divide in un (un indice nella tabella) e un :
virtual address = [ page number | offset ]
│ │
page table[page] = frame │
▼ ▼
physical address = [ frame | offset ]
Le page table sono grandi, quindi sono multi-livello (multi-level) (un albero) o hashed, e percorse dalla MMU hardware.
Percorrere una page table multi-livello a ogni accesso in memoria sarebbe paralizzante. Il TLB (Translation Lookaside Buffer) è una cache piccola e veloce delle traduzioni virtuale→fisico recenti, all'interno della CPU:
CPU needs addr → TLB hit? ── yes ──▶ get frame immediately (~1 cycle)
│
└── no (TLB miss) → walk the page table, fill the TLB (slower)
I tassi di hit del TLB sono normalmente >99%; un miss è costoso, ed è per questo che la spatial locality e funzionalità come le huge page (2 MB — meno voci per coprire la stessa RAM) contano per le performance.
Se la voce della page table dice che la pagina non è in RAM (o i suoi bit di protezione sono violati), la MMU solleva un trap di page fault. L'OS lo gestisce: carica la pagina dal disco (un fault major), riempie di zeri una pagina nuova, oppure copy-on-write. Un page fault che colpisce il disco costa milioni di cicli — da cui l'importanza di tenere il working set in RAM.
La segmentation divide la memoria per unità logica — code, data, stack — in segment di dimensione variabile, indirizzati come [segment selector | offset]. Si mappa naturalmente sulla struttura del programma ma soffre di frammentazione esterna (external fragmentation) (buchi di dimensione variabile). La segmentation pura è in gran parte storica; x86 ne mantiene una forma vestigiale, ma Linux la appiattisce e si affida al paging.
Paging, TLB e page fault sono dove la "memoria virtuale" incontra le performance reali. Gli intervistatori lo usano per verificare se colleghi le astrazioni al costo hardware: perché le huge page riducono i miss del TLB, perché una tempesta di page fault affonda la latenza, e perché i pattern d'accesso amici di cache/TLB girano veloci. È anche background essenziale per i memory-mapped file, il copy-on-write e il thrashing.
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