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頁翻譯：快速地址轉換

雖然操作系統通過頁表也能將虛擬頁翻譯成記憶體中對應的頁幀，但是它仍然很慢。另一方面，如果訪問每個頁都需要操作系統來參與幫忙翻譯，這會頻繁陷入內核，效率是非常低的。所以，這裡再次將任務交給硬體CPU去做。

提示：操作系統將底層任務交給硬體提高效率

前文介紹段的虛擬地址翻譯，以及這裡介紹的頁翻譯，本都可以由操作系統完成，但是操作系統參與太多效率會非常低，這時候都將任務交給操作系統的好伙伴——硬體（CPU）來完成，這會減少大量的上下文切換，因為不用再陷入內核了。

不僅如此，磁碟IO本也是可以由操作系統參與完成的，但速度會更慢，所以也將IO任務交給了硬體（硬碟）去完成。此外，還有網卡、顯卡等等。

所以可以做個總結，只要頻繁進行底層操作的任務，一般都會交給硬體而繞過操作系統內核（因為繞過內核，這類任務也常稱為內核旁路操作），它們的原理都一樣。而要交給硬體，硬體肯定要支持這類操作。

CPU對頁做快速地址轉換，其全稱為translation-lookaside buffer（TLB），即地址轉換旁路緩衝。快速地址轉換之所以稱為TLB，這是歷史原因造成的。但是否註意到旁路緩衝這幾個字？即繞過內核的緩衝，也就是硬體中的緩衝。

所以，CPU對頁做快速地址轉換是藉助CPU的高速緩衝區完成的，而且使用的L1級緩存（離CPU核心最近的緩存）和L2級緩存（比L1緩存稍慢），翻譯速度可想而知有多快。

這裡以最簡單的方式描述下快速地址轉換涉及到的一些過程。

雖然CPU的高速緩存速度非常快，但與之對應的是緩存空間非常小，所以只能保存有限數量的翻譯信息。如果高速緩衝區緩存的翻譯信息數量已滿，當訪問緩存中不存在翻譯信息的頁，就只能從記憶體的多級頁表中讀取翻譯信息，因為這條翻譯信息也要緩存到高速緩衝區，所以只能從高速緩衝區中踢掉之前的一條翻譯信息。那麼踢掉哪一項呢？於是緩存替換策略演算法就派上用場了，例如隨機踢掉一項的隨機替換演算法，踢掉最近最少訪問的那項的LRU演算法，等等。

這裡給一個訪問數組的示例，來幫助理解TLB帶來的好處。如下圖是數組a中10個元素的存放方式，總共存放在3個虛擬頁中。

如果依次去訪問這10個數組元素，首先訪問a[0]時高速緩衝區中沒有緩存相關的翻譯信息，所以需要從記憶體中去讀取VPN 02頁的翻譯信息並緩存在高速緩衝區中，然後到對應的物理記憶體中去取得該元素的值。但是當訪問a[1]和a[2]的時候就能夠從高速緩衝區中受益，因為這兩個元素都在VPN 02頁中，而該頁的翻譯信息已經緩存了。

同理，訪問新頁中a[03]和a[7]的時候，需要先從記憶體中讀取頁VPN 03和VPN 04的翻譯信息並緩存下來，之後再訪問頁中其它元素的時候就可以直接從緩存中取得翻譯信息，直接找到物理記憶體中的值。

這裡可以做個假設，假如每頁的大小足夠大，數組a中的元素可以全部存放在同一個頁中，那麼緩存的效果顯然更好。但頁過大，容易造成大量的頁空間浪費，因為記憶體的操作單元是頁，如果一個100K的頁只存放了1K的數據，也只能讀取這100K，並且剩餘99K空間被浪費，這種浪費稱為內部碎片。

提示：空間的外部碎片和內部碎片

這是空間管理的兩個經常出現概念。

內部碎片是給空間按固定大小劃分成塊或頁後，塊內或頁內的空間沒有完全利用導致有一部分空間浪費，這種稱為內部碎片，即頁內或塊內的空間碎片。一般使用填充因數或頁密度來描述頁的空間使用率是高還是低。內部碎片有好處也有壞處，壞處是浪費了一點空間，但這是無法避免的，好處是每頁都留下了空閑空間，如果程式支持的話（例如資料庫），以後該頁可以繼續存入新數據。

外部碎片是因為給空間劃分了不同大小的區段（即分段或分區）後，隨著空間的分配和釋放，導致空間的不連續（即出現了空間孔洞）。例如3段連續空間大小分別為10K、20K、10K，如果中間的20K已被使用而左右兩個10K是空閑的（這是可能的，空間可以在使用後釋放），即使現在總共有20K空閑空間，但如果想要申請15K空間，結果要麼失敗，要麼通過鏈表將不連續的空間鏈起來，不同程式處理方式不一樣。所以，外部碎片過多的負面影響非常大，要麼因無法分配空間導致程式異常終止，要麼因為訪問空間時要通過鏈表跳轉的重定位而嚴重影響性能。