服务器内存分页
一、内存分页
内存分页是一种用于管理计算机内存的机制，它将内存分割成固定大小的块，称为“页”（Page），以便更有效地利用内存空间，在分页系统中，内存被划分为若干个相同大小的页框（Page Frame），每个页框可以存放一个页，虚拟内存中的页面通过页表映射到物理内存中的页框，这种机制有助于减少内存碎片，提高内存利用率，并简化内存管理。
二、分页机制的由来
1、内存碎片问题：内存碎片分为内部碎片和外部碎片，内部碎片指分配给进程的内存块中未被利用的部分；外部碎片则是指由于多次分配和释放内存导致的零散空闲区域，尽管总的空闲内存量可能足够，但由于分布不连续，无法满足大块内存的需求。
2、解决方案：为了解决内存碎片问题，分页机制将内存分割成固定大小的小块，使得内存可以被更灵活地分配和回收，从而减少碎片，提高内存使用效率。
三、硬件中的分页
1、常规分页：从80386处理器开始，x86架构支持分页机制，线性地址被分成多个固定大小的页，通过页目录和页表进行两级映射，以减少每个进程所需的页表项数量。
2、页目录项和页表项：每个进程都有自己的页目录和页表，页目录项和页表项包含以下标志位：
P（Present）：表示页面是否在物理内存中。
RW（Read/Write）：表示页面的读写权限。
US（User/Supervisor）：区分用户模式和超级用户模式的访问权限。
PWT（Page Write Through）：指示页面缓存的写入策略。
PCD（Page Cache Disable）：指示是否禁用页面缓存。
A（Accessed）：表示页面是否被访问过。
D（Dirty）：表示页面是否被修改过。
PAE（Large Page Size）：物理地址扩展，用于支持大页面。
3、扩展分页：PAE允许使用更大的页框，如2MB或4MB，以减少页表大小，提高地址转换效率。
四、Linux中的分页
1、四级分页模型：Linux采用四级分页模型，包括页全局目录（PGD）、上级页表目录（PUD）、页中间目录（PMD）和页表（PT），这种模型支持更大规模的内存寻址空间。
2、软件定义：
页表类型定义：Linux内核定义了多种页表结构体，如pgd_t、pud_t、pmd_t和pte_t，分别对应四级分页模型中的各级页表。
页表描述宏：内核提供了一些宏，如HAVE_ARCH_PUD、HAVE_ARCH_PMD等，用于判断体系结构是否支持特定的页表级别。
页表处理函数：内核提供了一组函数来操作页表项，包括查询和设置页表项的标志位。pud_val(x)宏用于从页目录项中提取物理地址，而set_pud函数用于设置页目录项的值。
五、相关问题与解答
1、什么是TLB（Translation Lookaside Buffer）？
解答：TLB，即翻译后备缓冲器，是一种高速缓存，用于存储最近使用的虚拟内存到物理内存的映射关系，当CPU需要将虚拟地址转换为物理地址时，首先检查TLB，如果TLB命中，则直接返回对应的物理地址；如果TLB未命中，则需要访问页表进行转换，并将结果存入TLB，以便下次快速访问，TLB提高了虚拟地址转换的效率，减少了页表访问的次数。
2、大页（HugePages）是什么，有什么优势？
解答：大页（HugePages）是一种比标准4KB页面更大的内存页面单位，通常为2MB或1GB，大页减少了页表的大小，从而提高了地址转换的效率，并降低了跨越多个页面的内存访问的开销，在需要大量内存且对性能要求较高的应用中，如数据库和大数据处理，大页可以提高内存管理的效率和系统性能，大页的使用也增加了内存的内部碎片，因为每个大页可能无法完全利用其容量。
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