每天3分钟操作系统修炼秘籍（11）：页翻译——快速地址转换

页翻译：快速地址转换

虽然操作系统通过页表也能将虚拟页翻译成内存中对应的页帧，但是它仍然很慢。另一方面，如果访问每个页都需要操作系统来参与帮忙翻译，这会频繁陷入内核，效率是非常低的。所以，这里再次将任务交给硬件cpu去做。

提示：操作系统将底层任务交给硬件提高效率

前文介绍段的虚拟地址翻译，以及这里介绍的页翻译，本都可以由操作系统完成，但是操作系统参与太多效率会非常低，这时候都将任务交给操作系统的好伙伴——硬件（cpu）来完成，这会减少大量的上下文切换，因为不用再陷入内核了。

不仅如此，磁盘io本也是可以由操作系统参与完成的，但速度会更慢，所以也将io任务交给了硬件（硬盘）去完成。此外，还有网卡、显卡等等。

所以可以做个总结，只要频繁进行底层操作的任务，一般都会交给硬件而绕过操作系统内核（因为绕过内核，这类任务也常称为内核旁路操作），它们的原理都一样。而要交给硬件，硬件肯定要支持这类操作。

cpu对页做快速地址转换，其全称为translation-lookaside buffer（tlb），即地址转换旁路缓冲。快速地址转换之所以称为tlb，这是历史原因造成的。但是否注意到旁路缓冲这几个字？即绕过内核的缓冲，也就是硬件中的缓冲。

所以，cpu对页做快速地址转换是借助cpu的高速缓冲区完成的，而且使用的l1级缓存（离cpu核心最近的缓存）和l2级缓存（比l1缓存稍慢），翻译速度可想而知有多快。

这里以最简单的方式描述下快速地址转换涉及到的一些过程。

虽然cpu的高速缓存速度非常快，但与之对应的是缓存空间非常小，所以只能保存有限数量的翻译信息。如果高速缓冲区缓存的翻译信息数量已满，当访问缓存中不存在翻译信息的页，就只能从内存的多级页表中读取翻译信息，因为这条翻译信息也要缓存到高速缓冲区，所以只能从高速缓冲区中踢掉之前的一条翻译信息。那么踢掉哪一项呢？于是缓存替换策略算法就派上用场了，例如随机踢掉一项的随机替换算法，踢掉最近最少访问的那项的lru算法，等等。

这里给一个访问数组的示例，来帮助理解tlb带来的好处。如下图是数组a中10个元素的存放方式，总共存放在3个虚拟页中。

如果依次去访问这10个数组元素，首先访问a[0]时高速缓冲区中没有缓存相关的翻译信息，所以需要从内存中去读取vpn 02页的翻译信息并缓存在高速缓冲区中，然后到对应的物理内存中去取得该元素的值。但是当访问a[1]和a[2]的时候就能够从高速缓冲区中受益，因为这两个元素都在vpn 02页中，而该页的翻译信息已经缓存了。

同理，访问新页中a[03]和a[7]的时候，需要先从内存中读取页vpn 03和vpn 04的翻译信息并缓存下来，之后再访问页中其它元素的时候就可以直接从缓存中取得翻译信息，直接找到物理内存中的值。

这里可以做个假设，假如每页的大小足够大，数组a中的元素可以全部存放在同一个页中，那么缓存的效果显然更好。但页过大，容易造成大量的页空间浪费，因为内存的操作单元是页，如果一个100k的页只存放了1k的数据，也只能读取这100k，并且剩余99k空间被浪费，这种浪费称为内部碎片。

提示：空间的外部碎片和内部碎片

这是空间管理的两个经常出现概念。

内部碎片是给空间按固定大小划分成块或页后，块内或页内的空间没有完全利用导致有一部分空间浪费，这种称为内部碎片，即页内或块内的空间碎片。一般使用填充因子或页密度来描述页的空间使用率是高还是低。内部碎片有好处也有坏处，坏处是浪费了一点空间，但这是无法避免的，好处是每页都留下了空闲空间，如果程序支持的话（例如数据库），以后该页可以继续存入新数据。

外部碎片是因为给空间划分了不同大小的区段（即分段或分区）后，随着空间的分配和释放，导致空间的不连续（即出现了空间孔洞）。例如3段连续空间大小分别为10k、20k、10k，如果中间的20k已被使用而左右两个10k是空闲的（这是可能的，空间可以在使用后释放），即使现在总共有20k空闲空间，但如果想要申请15k空间，结果要么失败，要么通过链表将不连续的空间链起来，不同程序处理方式不一样。所以，外部碎片过多的负面影响非常大，要么因无法分配空间导致程序异常终止，要么因为访问空间时要通过链表跳转的重定位而严重影响性能。