前言
在學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)組成原理時(shí)令蛉，書(shū)中談到舷暮，"使用多級(jí)頁(yè)表可以壓縮頁(yè)表占用的內(nèi)存"，在了解了多級(jí)頁(yè)表的原理后黎茎，恐怕對(duì)這句話還是理解不了：把頁(yè)表?yè)Q成多級(jí)頁(yè)表了就能節(jié)約內(nèi)存了？不是還是得映射所有的虛擬地址空間么当悔？
比如做個(gè)簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)計(jì)算傅瞻，假如虛擬地址空間為32位（即4GB）、每個(gè)頁(yè)面映射4KB以及每條頁(yè)表項(xiàng)占4B盲憎，則進(jìn)程需要1M個(gè)頁(yè)表項(xiàng)（4GB / 4KB = 1M）嗅骄，即頁(yè)表（每個(gè)進(jìn)程都有一個(gè)頁(yè)表）占用4MB（1M * 4B = 4MB）的內(nèi)存空間。而假如我們使用二級(jí)頁(yè)表饼疙，還是上述條件溺森，但一級(jí)頁(yè)表映射4MB、二級(jí)頁(yè)表映射4KB窑眯，則需要1K個(gè)一級(jí)頁(yè)表項(xiàng)（4GB / 4MB = 1K）屏积、每個(gè)一級(jí)頁(yè)表項(xiàng)對(duì)應(yīng)1K個(gè)二級(jí)頁(yè)表項(xiàng)（4MB / 4KB = 1K），這樣頁(yè)表占用4.004MB（1K * 4B + 1K * 1K * 4B = 4.004MB）的內(nèi)存空間磅甩。多級(jí)頁(yè)表的內(nèi)存空間占用反而變大了炊林？
其實(shí)我們應(yīng)該換個(gè)角度來(lái)看問(wèn)題，還記得計(jì)算機(jī)組成原理里面無(wú)處不在的局部性原理么更胖？
如何節(jié)約內(nèi)存
我們分兩方面來(lái)談這個(gè)問(wèn)題：第一铛铁，二級(jí)頁(yè)表可以不存在隔显；第二，二級(jí)頁(yè)表可以不在主存饵逐。
二級(jí)頁(yè)表可以不存在
我們反過(guò)來(lái)想括眠，每個(gè)進(jìn)程都有4GB的虛擬地址空間，而顯然對(duì)于大多數(shù)程序來(lái)說(shuō)倍权，其使用到的空間遠(yuǎn)未達(dá)到4GB掷豺，何必去映射不可能用到的空間呢？
也就是說(shuō)薄声，一級(jí)頁(yè)表覆蓋了整個(gè)4GB虛擬地址空間当船，但如果某個(gè)一級(jí)頁(yè)表的頁(yè)表項(xiàng)沒(méi)有被用到，也就不需要?jiǎng)?chuàng)建這個(gè)頁(yè)表項(xiàng)對(duì)應(yīng)的二級(jí)頁(yè)表了默辨，即可以在需要時(shí)才創(chuàng)建二級(jí)頁(yè)表德频。做個(gè)簡(jiǎn)單的計(jì)算，假設(shè)只有20%的一級(jí)頁(yè)表項(xiàng)被用到了缩幸，那么頁(yè)表占用的內(nèi)存空間就只有0.804MB（1K * 4B + 0.2 * 1K * 1K * 4B = 0.804MB）壹置，對(duì)比單級(jí)頁(yè)表的4M是不是一個(gè)巨大的節(jié)約？
那么為什么不分級(jí)的頁(yè)表就做不到這樣節(jié)約內(nèi)存呢表谊？我們從頁(yè)表的性質(zhì)來(lái)看钞护，保存在主存中的頁(yè)表承擔(dān)的職責(zé)是將虛擬地址翻譯成物理地址；假如虛擬地址在頁(yè)表中找不到對(duì)應(yīng)的頁(yè)表項(xiàng)爆办，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)就不能工作了难咕。所以頁(yè)表一定要覆蓋全部虛擬地址空間，不分級(jí)的頁(yè)表就需要有1M個(gè)頁(yè)表項(xiàng)來(lái)映射距辆，而二級(jí)頁(yè)表則最少只需要1K個(gè)頁(yè)表項(xiàng)（此時(shí)一級(jí)頁(yè)表覆蓋到了全部虛擬地址空間余佃，二級(jí)頁(yè)表在需要時(shí)創(chuàng)建）。
二級(jí)頁(yè)表可以不在主存
其實(shí)這就像是把頁(yè)表當(dāng)成了頁(yè)面挑格×撸回顧一下請(qǐng)求分頁(yè)存儲(chǔ)管理，當(dāng)需要用到某個(gè)頁(yè)面時(shí)漂彤，將此頁(yè)面從磁盤(pán)調(diào)入到內(nèi)存雾消；當(dāng)內(nèi)存中頁(yè)面滿了時(shí)，將內(nèi)存中的頁(yè)面調(diào)出到磁盤(pán)挫望，這是利用到了程序運(yùn)行的局部性原理立润。我們可以很自然發(fā)現(xiàn)，虛擬內(nèi)存地址存在著局部性媳板，那么負(fù)責(zé)映射虛擬內(nèi)存地址的頁(yè)表項(xiàng)當(dāng)然也存在著局部性了桑腮！這樣我們?cè)賮?lái)看二級(jí)頁(yè)表，根據(jù)局部性原理蛉幸，1024個(gè)第二級(jí)頁(yè)表中破讨，只會(huì)有很少的一部分在某一時(shí)刻正在使用丛晦，我們豈不是可以把二級(jí)頁(yè)表都放在磁盤(pán)中，在需要時(shí)才調(diào)入到內(nèi)存提陶？我們考慮極端情況烫沙，只有一級(jí)頁(yè)表在內(nèi)存中，二級(jí)頁(yè)表僅有一個(gè)在內(nèi)存中隙笆，其余全在磁盤(pán)中（雖然這樣效率非常低）锌蓄，則此時(shí)頁(yè)表占用了8KB（1K * 4B + 1 * 1K * 4B = 8KB），對(duì)比上一步的0.804MB撑柔，占用空間又縮小了好多倍瘸爽！
總結(jié)
我們把二級(jí)頁(yè)表再推廣到多級(jí)頁(yè)表，就會(huì)發(fā)現(xiàn)頁(yè)表占用的內(nèi)存空間更少了铅忿，這一切都要?dú)w功于對(duì)局部性原理的充分應(yīng)用剪决。
回頭想想，這么大幅度地解決內(nèi)存空間檀训，我們失去了什么呢昼捍？計(jì)算機(jī)的很多問(wèn)題無(wú)外乎就是時(shí)間換空間和空間換時(shí)間了，而多級(jí)頁(yè)表就是典型的時(shí)間換空間的例子了肢扯，動(dòng)態(tài)創(chuàng)建二級(jí)頁(yè)表、調(diào)入和調(diào)出二級(jí)頁(yè)表都是需要花費(fèi)額外時(shí)間的担锤，遠(yuǎn)沒(méi)有不分級(jí)的頁(yè)表來(lái)的直接蔚晨；而我們也僅僅是利用局部性原理讓這個(gè)額外時(shí)間開(kāi)銷降得比較低了而已。
