操作系统内存最全解析！！！( 十 ) _操作系统

TLB 软件管理会有两种 TLB 失效问题，当一个页访问在内存中而不在 TLB 中时，将产生软失效(soft miss)，那么此时要做的就是把页表更新到 TLB 中（我们上面探讨的过程），而不会产生磁盘 I/O，处理仅仅需要一些机器指令在几纳秒的时间内完成。然而，当页本身不在内存中时，将会产生硬失效(hard miss)，那么此时就需要从磁盘中进行页表提取，硬失效的处理时间通常是软失效的百万倍。在页表结构中查找映射的过程称为页表遍历(page table walk) 。

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上面的这两种情况都是理想情况下出现的现象，但是在实际应用过程中情况会更加复杂，未命中的情况可能既不是硬失效又不是软失效。一些未命中可能更软或更硬（偷笑）。比如，如果页表遍历的过程中没有找到所需要的页，那么此时会出现三种情况：

所需的页面就在内存中，但是却没有记录在进程的页表中，这种情况可能是由其他进程从磁盘掉入内存，这种情况只需要把页正确映射就可以了，而不需要在从硬盘调入，这是一种软失效，称为次要缺页错误(minor page fault) 。
基于上述情况，如果需要从硬盘直接调入页面，这就是严重缺页错误(major page falut) 。
还有一种情况是，程序可能访问了一个非法地址，根本无需向 TLB 中增加映射。此时，操作系统会报告一个段错误(segmentation fault) 来终止程序。只有第三种缺页属于程序错误，其他缺页情况都会被硬件或操作系统以降低程序性能为代价来修复

针对大内存的页表还记得我们讨论的是什么问题吗？（捂脸），可能讨论的太多你有所不知道了，我再提醒你一下，上面加速分页过程讨论的是虚拟地址到物理地址的映射速度必须要快的问题，还有一个问题是如果虚拟地址空间足够大，那么页表也会足够大的问题，如何处理巨大的虚拟地址空间，下面展开我们的讨论。
多级页表第一种方案是使用多级页表(multi)，下面是一个例子

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32 位的虚拟地址被划分为 10 位的 PT1 域，10 位的 PT2 域，还有 12 位的 Offset 域。因为偏移量是 12 位，所以页面大小是 4KB，公有 2^20 次方个页面。
引入多级页表的原因是避免把全部页表一直保存在内存中。不需要的页表就不应该保留。
多级页表是一种分页方案，它由两个或多个层次的分页表组成，也称为分层分页。级别1（level 1）页面表的条目是指向级别 2（level 2）页面表的指针，级别2页面表的条目是指向级别 3（level 3）页面表的指针，依此类推。最后一级页表存储的是实际的信息。
下面是一个二级页表的工作过程

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在最左边是顶级页表，它有 1024 个表项，对应于 10 位的 PT1 域。当一个虚拟地址被送到 MMU 时，MMU 首先提取 PT1 域并把该值作为访问顶级页表的索引。因为整个 4 GB （即 32 位）虚拟地址已经按 4 KB 大小分块，所以顶级页表中的 1024 个表项的每一个都表示 4M 的块地址范围。
由索引顶级页表得到的表项中含有二级页表的地址或页框号。顶级页表的表项 0 指向程序正文的页表，表项 1 指向含有数据的页表，表项 1023 指向堆栈的页表，其他的项（用阴影表示）表示没有使用。现在把 PT2 域作为访问选定的二级页表的索引，以便找到虚拟页面的对应页框号。
倒排页表针对分页层级结构中不断增加的替代方法是使用倒排页表(inverted page tables) 。采用这种解决方案的有 PowerPC、UltraSPARC 和 Itanium 。在这种设计中，实际内存中的每个页框对应一个表项，而不是每个虚拟页面对应一个表项。
虽然倒排页表节省了大量的空间，但是它也有自己的缺陷：那就是从虚拟地址到物理地址的转换会变得很困难。当进程 n 访问虚拟页面 p 时，硬件不能再通过把 p 当作指向页表的一个索引来查找物理页。而是必须搜索整个倒排表来查找某个表项。另外，搜索必须对每一个内存访问操作都执行一次，而不是在发生缺页中断时执行。
解决这一问题的方式时使用 TLB 。当发生 TLB 失效时，需要用软件搜索整个倒排页表。一个可行的方式是建立一个散列表，用虚拟地址来散列。当前所有内存中的具有相同散列值的虚拟页面被链接在一起。如下图所示