分頁表

Relationship between pages addressed by virtual addresses and the frames in physical memory, within a simple address space scheme. Physical memory can contain pages belonging to many processes. Pages can be paged to disk if used infrequently, or if physical memory is full. Not all pages are in physical memory in the above diagram.

在操作系统中使用虚拟内存，每个进程会认为使用一块大的连续的内存。事实上，每个进程的内存散布在物理内存的不同区域。或者可能被调出到备份存储中(一般在硬盘)。当一个进程请求自己的内存，操作系统负责把程序生成的虚拟地址，映射到实际存储的物理内存上。操作系统在分页表中存储虚拟地址到物理地址的映射。每个映射被称为分页表项（page table entry，PTE）。

虚拟地址到物理地址的转换过程。 如果虚拟内存地址不存在于TLB，转换会被重置并通过分页表和硬件寻找。

CPU的内存管理单元（memory management unit MMU）存储最近用过的映射缓存，来自操作系统分页表。被称为轉譯後備緩衝區（translation lookaside buffer, TLB）。TLB是一个索引缓存。

当需要将虚拟地址转换为物理地址时，首先搜索TLB。如果找到匹配（TLB命中），则返回物理地址并继续存储器访问。然而，如果没有匹配（称为TLB未命中），则存储器管理单元或操作系统TLB未命中处理器通常会查找页表中的地址映射以查看是否存在映射（页面遍历）。如果存在，则将其写回TLB（这必须完成，因为硬件通过虚拟存储器系统中的TLB访问存储器），并且重启错误指令（这也可以并行发生）。此后续转换将找到TLB命中，并且内存访问将继续。

有两种原因导致分页表查找失败。第一种，如果该地址没有可用的转换，这意味该虚拟地址的存储器访问是无效的。这通常是程序错误导致，操作系统需要处理这个问题。现代操作系统会发送一个段错误信号给出错程序。

当物理内存中不存在这个页，也会引起分页表查找失败。如果请求的页面被调出物理内存，给其他页腾出空间，会引起这个错误。这种情况下，页被分配到存储在介质上的辅助存储，例如硬盘。（这种辅助存储，或叫备用存储，如果是一个硬盘分区或者交换文件, 经常称之为交换分区，如果是文件，叫做分区文件或页文件。）这时候，分页需要从硬盘放回到物理内存中，这类操作通常会导致一种称为系统抖动（thrashing）的情况，通过局部性原理（principle of locality）来预测将来可能会访问的块，避免出现系统抖动。

当物理内存没满的时候，这是一个简单操作。页被写回物理内存，页表和转换备用缓冲会更新，指令重启。然而，当物理内存已满，一个或多个页要被调、为请求的页面腾出空间时候。页表需要更新，标识出那些在物理内存被调出的页，然后标识那些从硬盘调入物理内存的页。TLB也需要更新，包括去掉调出的页，重启指令。页的调入调出请见页置换算法。

最简单的分页表系统通常维护一个帧表和一个分页表。帧表处理帧映射信息。更高级系统中，帧表可以处理页属于的地址空间，统计信息和其他背景信息。

分页表处理页的虚拟地址和物理帧的映射。还有一些辅助信息，如当前存在标识位(present bit)，脏数据标识位或已修改的标识位，地址空间或进程ID信息。

辅助存储，比如硬盘可以用于增加物理内存。页可以调入和调出到物理内存和磁盘。当前存在标识位可以指出那些页在物理内存，哪些页在硬盘上。页可以指出如何处理这些不同页。是否从硬盘读取一个页，或把其他页从物理内存调出。

脏数据标识位可以优化性能。一个页从硬盘调入到物理内存中，读取后调出，当页没有更改不需要写回硬盘。但是如果页在调入物理内存后被修改，会标记其为脏数据，意味着该页必需被写回备用存储。这种策略需要当页被调入到内存后，后备存储保留一份页的拷贝。有了脏数据标志位，一些页随时会同时存在于物理内存和后备存储中。

如果不是单地址空间操作系统，地址空间或进程id信息是必要的，内存管理系统需要知道页对应的进程。两个不同意图的进程可以使用两个相同的虚拟地址。分页表必需为两个进程提供不同的虚拟内存。用虚拟内存页关联进程ID页可以帮助选择要调出的页，当页关联到不活跃进程上，特别是那些主要代码页被调出的进程，相比活跃进程需要页的可能性会更小。

有一些不同的分页表类型，适合不同应用场景。本质上，准系统分页表必需存储虚拟地址，物理地址排在之后，还有一些可能的地址空间信息。

• 轉譯後備緩衝區
• 快取文件置換機制
• 指针
• PaX
• W^X