多级页表如何节省内存空间？

Question

我试图了解多级页表如何节省内存。根据我的理解，多级页表总共消耗比单级页表更多的内存。

示例：考虑页面大小为64KB且32位处理器的内存系统。页表中的每个条目都是4个字节。

单级页表：表示页面偏移需要16（2 ^ 16 = 64KB）位。所以休息16位用于索引到页表。所以

*页面大小= 2 ^ 16（页数）* 4字节（每页表项的大小）= 2 ^ 18字节*

多级页表：在两级页表的情况下，让我们使用前10个最高位来索引到第一级页表。接下来10位索引到第二级页表，其具有页码到帧号映射。其余12位表示页面偏移量。

第二级页表的大小= 2 ^ 10（条目数）* 4个字节（每个条目的大小）= 4 KB

所有第二级页表的总大小= 2 ^ 10（第二级页表的数量）* 4KB（每个第二级页表的大小）= 4 MB

第一级页表的大小= 2 ^ 10（条目数）*（10/8）字节（每个条目的大小）= 1.25 KB

存储第一级和第二级页表所需的总内存= 4 MB + 1.25 KB

因此我们需要更多内存来存储多级页面表。

如果是这种情况，多级页表如何节省内存空间？

Answer 1

1. 在单级页面表中，您需要整个表来访问少量数据（更少的内存引用）。即2 ^ 20页，每个PTE占用4字节，如你所愿。

访问任何数据所需的空间是2 ^ 20 * 4bytes = 4MB

1. 分页页面是多级分页。在多级分页中，它更具体，您可以在多级组织的帮助下决定您的数据存在于2 ^ 20页中的哪个特定页面，然后选择它。因此，在运行该过程时，您只需要将该特定页面放在内存中。

在您讨论的2级案例中，您需要第一级页面表，然后是第二级中的2 ^ 10页表。 所以， 第1级大小= 2 ^ 10 * 4bytes = 4KB 第二级我们在2 ^ 10个页面表中只需要1个=所以大小是2 ^ 10 * 4bytes = 4KB

现在所需的总大小：4KB + 4KB = 8KB。

最终比较是4MB对8KB。

Answer 2

以下是多级页表的主要优点：

  

首先，将页面表格切成页面大小的单位;那么，如果整页页表条目（PTE）无效，则根本不要分配页表的那一页。

Source.（第20.3节）

因此，页表所需的内存量不是由地址空间的大小决定的，而是由进程正在使用的内存量决定的。

此外，如果物理内存已满，页面表条目页面本身可以被分页 - 只有页面目录需要始终存在于内存中。

Answer 3

要添加到Sai's answer中，实际上必须在这里强调一个想法：您不需要将整个页表都加载到主内存中-只需要将您想去的那一部分。这补偿了您的正确直觉，即多级页表至少需要与单级页表一样大的容量（毕竟，无论表样式如何，都需要存储所有虚拟地址的映射）。

还需要注意的是，多级分页实际上是 出现的，它想应用上述原理（而不是相反，因为要使用多级分页，所以要应用该原理）。单级表的条目存储在页面本身中，在单级模型中，这些页面可能会占用一大块内存；这样，您只需要基地址即可索引表。但是，现在尝试拉出不需要的条目页面：作为自然结果，我们将需要一种方法来仍然能够引用所有条目页面，即使它们不再显示为一大块。因此，将出现一个顶层页面表，并且我们具有多层页面。

现在只需将我们拉出的页面写到磁盘上，然后只检索它们以备后用。这样，如果程序确实只需要一个最终级别的页表条目，那么除了实际需要的4 kB + 4 kB之外，我们会将全部4 MB存储在磁盘中的条目中。这样可以节省大量RAM。

Answer 4

由于Intel-land中的内存结构，主要需要多级表。

假设您有一个32位系统并且您划分地址空间，以便上半部分保留给系统，下半部分用于用户地址。

通过这样的划分，每个用户页面表中需要2GB的连续页表条目才能到达系统地址。

旧的VAX以一种简单的方式来解决这个问题。它将4GB地址空间划分为4个区域（2个用户，1个系统，1个不可用）。三个可用区域有自己的页面表。

每个地区都有自己的页面表。由于存在专用的系统地址空间，因此用户页表可以是虚拟地址，因此不需要连续的内存。

地址转换的第一阶段是查看2个高阶地址位以选择要使用的页表。

Intel-land没有单独的页表，而是打破了页面表。这减轻了（1）需要连续记忆的问题; （2）要求页表跨越整个地址空间; （3）允许定义可由所有进程共享的内核地址。