Kako delujejo paging, TLB in page faults?

Question

IT Interview Practice · Accepted Answer

**Paging** in **segmentation** sta dva načina organizacije navideznega naslovnega prostora; sodobni sistemi so v veliki večini osnovani na pagingu (včasih s tanko plastjo segmentacije zgoraj).

## Paging

Navidezni in fizični pomnilnik sta razrezana na **strani (pages)** in **frame** fiksne velikosti (običajno 4 KB). **Page table** preslika navidezno stran → fizični frame. Naslov se razdeli na **številko strani (page number)** (indeks v tabelo) in **offset**:

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

Page table so velike, zato so **večnivojske (multi-level)** (drevo) ali zgoščene (hashed), po njih pa se sprehodi (walk) strojni **MMU**.

## TLB: da je hitro

Sprehod po večnivojski page table ob vsakem dostopu do pomnilnika bi sistem ohromil. **TLB (Translation Lookaside Buffer)** je majhen, hiter cache nedavnih prevodov navidezni→fizični znotraj CPU:

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

Stopnja zadetkov TLB je običajno >99 %; zgrešitev (miss) je draga, zato sta za zmogljivost pomembna **spatial locality** (prostorska lokalnost) in funkcije, kot so **huge pages** (2 MB — manj vnosov za pokritje enake količine RAM-a).

## Page faults

Če vnos v page table pravi, da strani **ni v RAM-u** (ali so kršeni njeni zaščitni biti), MMU sproži prekinitev **page fault**. OS jo obravnava: naloži stran z diska (*major* fault), z ničlami napolni svežo stran ali izvede copy-on-write. Page fault, ki seže na disk, stane milijone ciklov — zato je pomembno, da working set ostane v RAM-u.

## Segmentation

**Segmentation** deli pomnilnik po **logičnih enotah** — code, data, stack — na segmente **spremenljive velikosti**, naslovljene kot `[segment selector | offset]`. Naravno se preslika na strukturo programa, a trpi za **zunanjo fragmentacijo (external fragmentation)** (luknje spremenljive velikosti). Čista segmentacija je večinoma zgodovinska; x86 ohranja zakrnelo obliko, a jo Linux splošči in se zanaša na paging.

## Zakaj je to pomembno

Paging, TLB in page faults so mesto, kjer se "navidezni pomnilnik" sreča z resnično zmogljivostjo. Spraševalci to uporabijo, da preverijo, ali povežete abstrakcije s ceno strojne opreme: zakaj huge pages zmanjšajo zgrešitve TLB, zakaj vihar page faultov potopi latenco in zakaj vzorci dostopa, prijazni do cache/TLB, tečejo hitro. To je tudi bistveno ozadje za memory-mapped datoteke, copy-on-write in thrashing.

Paging

TLB: da je hitro

Page faults

Segmentation

Zakaj je to pomembno

Povezana vprašanja