页表是操作系统用来管理虚拟内存的一种数据结构,它将虚拟地址空间划分成若干个页,每一页的大小取决于硬件架构,通常为4KB或者2MB。页表将虚拟地址转换为物理地址,从而操作系统可以将虚拟地址空间映射到物理地址空间。
页表包括多级页表和一级页表两种形式。其中,一级页表始终在物理内存中,并且是连续存储的,由一个指针指向页表的首地址;多级页表则分成了多个部分存储,每个部分均需要一个页表来管理。
对于多级页表,由于涉及到多个部分存储,因此需要用到页表首址。页表首址是指多级页表中,指向页表的第一个表项的指针。在进行页表查询时,首先要找到给定虚拟地址对应的页表所在的页目录条目,得到页表的物理地址。然后通过访问页表的首地址以及页内偏移量,找到虚拟地址对应的物理地址。
对于一级页表,由于其始终存在于物理内存中,因此其首地址可以直接通过操作系统内核来查找得到。对于多级页表,首先需要计算页目录项和页表项在页表中的偏移量。
具体来说,对于32位体系结构,页目录条目和页表条目各占4B,其条目号可以表示为一个10位数或者一个页表项偏移量。因此,如果为了访问给定的虚拟地址,需要先访问的是第i个页表,则其页表首址的计算方法为:
页表首地址 = (PDir[i] << 12)+ offset(12位)
其中,PDir[i]是第i个页表所在的页目录项的物理地址,<< 12是左移12位,相当于将页目录项的高20位设置为0,紧接着加上低12位的偏移量,得到页表首址。
由于页表是操作系统中重要的数据结构,在访问虚拟内存时必须使用,因此其访问效率直接影响整个系统的性能。对于页表首址的优化,一般可以从以下几个方面入手:
1、采用高速缓存。由于页表是经常使用的数据结构,因此可以使用高速缓存优化其访问效率。缓存可以放置最近使用过的页表项,减少了页面抖动的机会,提高了程序的性能。
2、使用TLB缓存。由于每次访问内存时要进行虚拟地址到物理地址的转换,因此可以使用TLB缓存来减少物理地址的计算次数,从而提高系统性能。
3、使用多级页表。多级页表可以将虚拟地址空间划分成多个子空间,从而可以减少访问整个页表的次数,提高系统性能。