Как работают paging, TLB и page fault?

Question

IT Interview Practice · Accepted Answer

**Paging** и **segmentation** — два способа организации виртуального адресного пространства; современные системы подавляюще основаны на paging (иногда с тонким слоем segmentation сверху).

## Paging

Виртуальная и физическая память нарезаются на **страницы (pages)** и **frame** фиксированного размера (обычно 4 KB). **Page table** отображает виртуальную страницу → физический frame. Адрес разбивается на **номер страницы (page number)** (индекс в таблице) и **offset**:

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

Page table велики, поэтому они **многоуровневые (multi-level)** (дерево) или хешированные, и обходятся (walk) аппаратным **MMU**.

## TLB: чтобы было быстро

Обход многоуровневой page table на каждое обращение к памяти был бы губителен. **TLB (Translation Lookaside Buffer)** — это маленький быстрый кэш недавних трансляций виртуальный→физический внутри CPU:

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

Процент попаданий в TLB обычно >99%; промах стоит дорого, поэтому **spatial locality** (пространственная локальность) и такие возможности, как **huge pages** (2 MB — меньше записей для покрытия той же RAM), важны для производительности.

## Page fault

Если запись в page table говорит, что страницы **нет в RAM** (или её биты защиты нарушены), MMU поднимает trap **page fault**. ОС обрабатывает его: загружает страницу с диска (*major* fault), заполняет нулями новую страницу или делает copy-on-write. Page fault, попадающий на диск, стоит миллионы циклов — поэтому важно держать рабочий набор в RAM.

## Segmentation

**Segmentation** делит память по **логическим единицам** — code, data, stack — на **сегменты переменного размера**, адресуемые как `[segment selector | offset]`. Это естественно отображается на структуру программы, но страдает от **внешней фрагментации (external fragmentation)** (дыры переменного размера). Чистая segmentation в основном историческая; x86 хранит рудиментарную форму, но Linux сплющивает её и полагается на paging.

## Почему это важно

Paging, TLB и page fault — это место, где «виртуальная память» встречается с реальной производительностью. Интервьюеры используют это, чтобы проверить, связываете ли вы абстракции со стоимостью на уровне железа: почему huge pages снижают промахи TLB, почему шторм page fault обрушивает задержку, и почему шаблоны доступа, дружелюбные к cache/TLB, работают быстро. Это также необходимая база для memory-mapped file, copy-on-write и thrashing.

Paging

TLB: чтобы было быстро

Page fault

Segmentation

Почему это важно

Похожие вопросы