二级分页的性能

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二级分页系统，有时也称为分层分页，是一种在具有大量物理内存的计算机系统中将虚拟地址转换为物理地址的方法。

在二级分页方案中，页表被分成两部分：顶级页表和底层页表。顶级页表中包含指向底层页表的指针。每个底层页表将虚拟地址空间的一部分映射到物理地址空间的一部分。

当进程生成虚拟地址时，处理器首先使用页号索引到顶级页表。在顶级页表中得到的条目中可以找到指向包含虚拟地址映射的底层页表的指针。然后，CPU 使用页偏移量索引到底层页表并获取物理地址。

二级分页策略降低了操作系统的内存开销和页表大小。降低查找页表所需的时间，也提高了系统的速度。

二级分页的工作原理

为了将虚拟地址转换为物理地址，二级页表用于将虚拟内存划分为固定大小的页面。页表的第一级，有时称为页目录，包含指向页表第二级的页表条目的列表。页表的第二级，也称为页表，包含将虚拟地址转换为物理地址的页表条目的列表。

当程序访问内存时，处理器会在页表的第一级查找与虚拟地址对应的条目。此条目中包含对页表第二级的引用。然后，处理器通过扫描页表的第二级来查找与虚拟地址匹配的页表条目。此条目中列出了与虚拟地址匹配的物理地址。

性能指标

可以使用多种性能指标来评估二级分页的有效性。一个重要的指标是缺页率。这计算的是程序尝试访问必须从磁盘调入内存（因为它不在物理内存中）的页面的次数。如果缺页率很高，则系统可能花费太多时间在将页面调入和调出内存，这可能会影响系统性能。

另一个重要的指标是TLB命中率。此计数代表由TLB（转换旁路缓冲区）处理的内存访问比例。TLB是一个缓存，用于存储以前使用过的页表条目，以提供更快的内存访问。较高的TLB命中率可能表示系统正在有效地利用TLB并快速访问内存。

另一个重要的性能指标是内存开销。这计算的是保存页表所需的RAM量。较高的内存开销可能意味着系统正在内存中存储过多的页表，这将减少可用于应用程序的内存量。

二级分页中性能计算公式

可以使用许多指标来评估计算机的内存系统性能，包括平均访问时间、命中率和未命中率。可以使用以下公式来计算二级分页系统中的一些性能指标。

平均内存访问时间

AMAT= (t1+t2 ×p) + (t3+t4 ×q)

其中：

• t1 是访问一级页表的时间

• t2 是访问二级页表条目的时间

• p 是一级页表命中概率

• t3 是访问内存页的时间

• t4 是更新页表条目的时间

• q 是二级页表命中概率

一级页表命中率

p=1-q

其中 q 是二级页表命中率。

二级页表命中率

q=1-(1/S)×(1-H)

其中：

• S 是二级页表中的条目数

• H 是二级页表中内存页的命中率

内存页命中率

H=1-(1/F)^((1/B) )

其中：

• F 是内存中帧数

• B 是一个内存帧中可以容纳的页表条目数

请注意，这些计算是近似的，并没有考虑所有可能影响分页系统性能的因素，包括页面置换技术、缓存和TLB缓存。

实际应用

二级分页（通常称为二级虚拟内存分页）的效率是计算机体系结构的一个关键组成部分，具有多种实际应用。在二级分页中，进程的虚拟地址空间被划分为页目录和页表。这使得能够有效地管理内存资源，并使进程彼此隔离。

• 包括Windows、Linux和macOS在内的现代操作系统通常使用二级分页。这些系统通过二级分页来管理活动进程的内存资源。

• 通过将每个进程的虚拟地址空间划分为不同的页目录和表，操作系统可以确保每个进程只能访问它自己的内存空间，并且不能干扰其他进程的内存。这提高了系统的整体安全性和稳定性。

虚拟机是二级分页的另一个环境。虚拟机使用二级分页来跨单个物理机上运行的多个客户操作系统分配内存资源。

• 分配给每个客户操作系统的页目录和表允许有效地管理内存资源，并为每个客户系统提供与其他系统隔离的安全保障。

• 此外，二级分页可用于实时应用程序和嵌入式系统，在这些系统中，内存资源通常受到限制。

• 这些系统可以通过使用二级分页有效地管理其可用内存，并确保关键进程拥有其正常运行所需的资源。

在广泛的计算机应用程序中，二级分页的效率是有效且安全地使用内存资源的关键组成部分。

未来工作

二级分页的性能仍有很大的改进空间。未来的研究应该考察不同页表组织方式的影响。例如，研究人员可以研究使用超过两层页表或混合策略（将分页与其他内存管理策略相结合）的影响。

未来的研究还应该考察不同页面大小的影响。二级分页中使用的页面大小会显著影响系统的性能。研究人员可以研究使用较小或较大页面大小的影响，以找到适合不同应用程序的最佳页面大小。

结论

总之，二级分页是现代内存管理中的一个重要组成部分。它提供了许多优点，包括减少内存碎片和改进内存分配管理。它也可能有一些缺点，例如维护多级表所需的额外开销。可以使用一些性能指标来评估二级分页的性能，例如缺页率、TLB命中率和内存开销。在实际应用中，二级分页提供了一种可靠且高效的内存管理方法，并且经常在操作系统和嵌入式设备中使用。尽管仍有许多工作有待完成以提高二级分页的性能，但它仍然是现代内存管理中的一个重要组成部分，并且很可能在未来许多年内继续使用。