虚拟内存
虚拟内存是一种机制，将连接到 CPU 的物理内存与在 CPU 上执行的所有进程共享。虚拟内存提供了一种保护机制，可以防止其他进程访问分配给特定进程的内存。虚拟内存还提供重定位，即能够在物理内存中的任何位置加载程序而不更改程序中的地址。
在支持虚拟内存的 CPU 中，程序使用虚拟地址进行访问。但是，虽然用户代码在虚拟地址上运行，但从内存中检索数据需要物理地址。此外，为了有效管理稀缺的物理内存，它被划分为页面。因此，应用程序在一组由操作系统提供的页面上运行。
访问数据和代码（指令）都需要地址转换。具有 4KB 页面大小的系统的机制如图 @fig:VirtualMem 所示。虚拟地址分为两部分。虚拟页号（52 个最高有效位）用于索引页表，以生成虚拟页号和相应物理页之间的映射。对于 4KB 页面中的偏移量，我们需要 12 位；正如已经说过的那样，64 位指针的其他 52 位用于页本身的地址。请注意，页面内的偏移量（12 个最低有效位）不需要转换，并且“原样”用于访问物理内存位置。
页表可以是单层或嵌套的。图 @fig:L2PageTables 显示了一个 2 级页表的示例。请注意地址如何分成更多部分。首先要提的是，没有使用 16 个最高有效位。这似乎浪费了位，但即使使用剩余的 48 位，我们也可以寻址 256 TB 的总内存 (2^48^)。一些应用程序使用这些未使用的位来保留元数据，也称为“指针标记”。
嵌套页表是一个 radix 树，它与一些元数据一起保存物理页地址。要找到这样一个 2 级页表的翻译，我们首先使用位 32..47 作为索引到 1 级页表，也称为“页表目录”。目录中的每个描述符都指向 2^16^ 个 2 级表块之一。一旦找到合适的 L2 块，我们就使用位 12..31 来找到物理页地址。将其与页偏移量 (位 0..11) 连接起来，我们就得到了物理地址，可以用来从 DRAM 检索数据。
页表的确切格式由 CPU 决定，原因将在接下来的几个段落中讨论。因此，页表组织的变化仅限于 CPU 支持的内容。如今，通常可以看到 4 级和 5 级页表。现代 CPU 支持具有 48 位指针 (256 TB 总内存) 的 4 级页表和具有 57 位指针 (128 PB 总内存) 的 5 级页表。
将页表分为多个级别不会改变可寻址内存的总量。但是，嵌套方法不需要将整个页表存储为连续数组，也不分配没有描述符的块。这节省了内存空间，但增加了遍历页表的开销。
无法提供物理地址映射称为“页面错误”。如果请求的页面无效或当前不在主内存中，就会发生这种情况。两个最常见的原因是：1) 操作系统承诺分配一个页面，但尚未用物理页面支持它，以及 2) 访问的页面被换出到磁盘并且当前没有存储在 RAM 中。
转译后备缓冲区 (TLB)
在分层页表中搜索可能代价高昂，需要遍历层次结构，可能进行多次间接访问。这种遍历通常称为页行走(page walk)。为了减少地址翻译时间，CPU 支持一种称为转译后备缓冲区(translation lookaside buffer, TLB)的硬件结构来缓存最近使用的翻译。类似于普通缓存，TLB 通常设计为 L1 ITLB（指令）、L1 DTLB（数据）的层次结构，然后是共享的 (指令和数据) L2 STLB。为了降低内存访问延迟，TLB 和缓存查找并行发生，因为数据缓存使用虚拟地址操作，不需要预先进行地址翻译。
TLB 层次结构为相对较大的内存空间保留翻译。但是，TLB 未命中可能会非常昂贵。为了加快对 TLB 未命中处理，CPU 具有一个称为硬件页行走器(HW page walker)的机制。这样的单元可以通过发出所需的指令来遍历页表，直接在硬件中执行页行走，而不会中断内核。这就是页表格式由 CPU 决定，操作系统必须遵守的原因。高端处理器有多个硬件页行走器，可以同时处理多个 TLB 未命中。然而，即使使用了现代 CPU 提供的所有加速，TLB 未命中仍然会为许多应用程序造成性能瓶颈。
大页
使用较小的页面大小可以更有效地管理可用内存并减少碎片化。然而，缺点是它需要更多的页表条目来覆盖相同的内存区域。考虑两种页面大小：4KB（x86 上的默认大小）和 2MB 的“大页”大小。对于处理 10MB 数据的应用程序，在第一种情况下需要 2560 个条目，而如果将地址空间映射到巨大页面，只需要 5 个条目。这些在 Linux 上称为“Huge Pages”，FreeBSD 上称为“Super Pages”，Windows 上称为“Large Pages”，但它们都表示同一个意思。在本书的其余部分，我们将它们称为 Huge Pages。
指向 Huge Page 中数据的地址示例如图 @fig:HugePageVirtualAddress 所示。与默认页面大小一样，使用 Huge Pages 时的确切地址格式由硬件决定，但幸运的是，我们作为程序员通常不必担心这一点。
使用 Huge Pages 可以大大减少对 TLB 层次结构的压力，因为需要的 TLB 条目更少。它大大增加了 TLB 命中率。我们将在 [sec:secDTLB] 和 [@sec:FeTLB] 中讨论如何使用 Huge Pages 减少 TLB 未命中率。使用 Huge Pages 的缺点是内存碎片化，并且在某些情况下，由于操作系统更难管理大量内存块并确保有效利用可用内存，非确定性页面分配延迟会增加。要在运行时满足 2MB Huge Page 分配请求，操作系统需要找到 2MB 的连续块。如果找不到，操作系统需要重组页面，从而导致更长的分配延迟。