操作系统基础34-页表结构
2020-12-24 13:01·重学IT的老猫
下面将探讨组织页表的一些最常用技术，包括分层分页、哈希页表和倒置页表。
分层分页
大多数现代计算机系统支持大逻辑地址空间（2^32〜2^64）。在这种情况下，页表本身可以非常大。例如，假设具有 32 位逻辑地址空间的一个计算机系统。如果系统的页大小为4KB（2^12），那么页表可以多达 100万的条目（2^32/2^12）。假设每个条目有4字节，那么每个进程需要4MB 物理地址空间来存储页表本身。显然，我们并不想在内存中连续地分配这个页表。这个问题的一个简单解决方法是将页表划分为更小的块。完成这种划分有多个方法。
两级页表方案
一种方法是使用两层分页算法，就是将页表再分页(如上图 )。例如，再次假设一个系统，具有32 位逻辑地址空间和4K大小的页。一个逻辑地址被分为20位的页码和12位的页偏移。因为要对页表进行再分页，所以该页码可分为10位的页码和10位的页偏移。这样，一个逻辑地址就分为如下形式：
其中 p1 是用来访问外部页表的索引，而 p2 是内部页表的页偏移。采用这种结构的地址转换方法如下图所示。
两级32位分页架构的地址转换
由于地址转换由外向内，这种方案也称为向前映射页表。
为了转换每个逻辑地址，64 位系统将需要多个级别的分页，太多的级别内存访问是不可取的，所以分层页表通常被认为对于64位的架构是不适当的。
哈希页表
处理大于32位地址空间的常用方法是使用哈希页表，采用虚拟页码作为哈希值。哈希页表的每一个条目都包括一个链表，该链表的元素哈希到同一位置(该链表用来解决处理碰撞)。每个元素由三个字段组成：虚拟页码，映射的帧码，指向链表内下一个元素的指针。 该算法工作如下，虚拟地址的虚拟页码哈希到哈希表，用虚拟页码与链表内的第一个元素的第一个字段相比较，如果匹配，那么相应的帧码(第二个字段)就用来形成物理地址；反之，如果不匹配，那么与链表内的后续节点的第一个字段进行比较，以查找匹配的页码。 该方案如下图所示
哈希页表
已提出用于64位地址空间的这个方案的一个变体。此变体采用聚簇页表，类似于哈希页表；不过，哈希表内的每个条目引用多个页(例如16)不是单个页。因此，单个页表条目可以映射到多个物理帧。聚簇页表对于稀疏地址空间特别有用，这里的引用是不连续的并且散布在整个地址空间中。
倒置页表
通常，每个进程都有一个关联的页表。该进程所使用的每个页都在页表中有一项（或者每个虚拟页都有一项，不管后者是否有效）。这种表示方式比较自然，因为进程是通过虚拟地址来引用页的。操作系统应将这种引用转换成物理内存的地址。 由于页表是按虚拟地址排序的，操作系统可计算出所对应条目在页表中的位置，可以直接使用该值。这种方法的缺点之一是，每个页表可能包含数以百万计的条目。这些表可能需要大量的物理内存，以跟踪其他物理内存是如何使用的。 为了解决这个问题，我们可以使用倒置页表。对于每个真正的内存页或帧，倒置页表才有一个条目。每个条目包含保存在真正内存位置上的页的虚拟地址，以及拥有该页进程的信息。因此，整个系统只有一个页表，并且每个物理内存的页只有一条相应的条目。
倒置页表
上图显示了倒置页表的工作原理，由于一个倒置页表通常包含多个不同的映射物理内存的地址空间，通常要求它的每个条目保存一个地址空间标识符。地址空间标识符的保存确保了，具体进程的每个逻辑页可映射到相应的物理帧。
IBM 是最早采用倒置页表的大公司：从 IBM System 38、RS/6000，到现代的 IBM Power CPU。
对 IBM RT，系统内的每个虚拟地址为一个三元组：
〈进程id，页码，偏移〉
每个倒置页表条目为二元组〈进程 id，页码〉，这里进程id用来作为地址空间的标识符。当发生内存引用时，由〈进程 id，页码〉组成的虚拟地址被提交到内存子系统。然后，搜索倒置页表来寻找匹配。如果找到匹配条目，如条目 i，则生成物理地址〈i，偏移〉。如果找不到匹配，则为非法地址访问。 虽然这种方案减少了存储每个页表所需的内存空间，但是它增加了由于引用页而查找页表所需的时间。由于倒置页表是按物理地址来排序的，而查找是根据虚拟地址的，因此查找匹配可能需要搜索整个表。这种搜索需要很长时间。 为了解决这个问题，可以使用一个哈希表，以将搜索限制在一个或最多数个页表条目。当然，每次访问哈希表也增加了一次内存引用，因此每次虚拟地址的引用至少需要两个内存读：一个用于哈希表条目，另一个用于页表。（在搜索哈希表之前，先搜索转换表缓冲区(TLB)，这可改善性能。） 采用倒置页表的系统在实现共享内存时会有困难。共享内存的通常实现为，将多个虚拟地址（共享内存的每个进程都有一个虚拟地址）映射到一个物理地址。这种标准的方法不能用于倒置页表，因为每个物理页只有一个虚拟页条目，一个物理页不可能有两个（或多个）共享的虚拟地址。 解决这个问题的一个简单技术是，只允许页表包含一个虚拟地址到共享物理地址的映射。这意味着，对未映射的虚拟地址的引用会导致页错误。
参考：《操作系统概念》