面试题：内存管理之多级页表的结构与基本原理

Question

请阐述多级页表的基本结构，以及它相较于单级页表，在解决内存管理问题上有哪些优势？

Answer 1

多级页表基本结构

1. 原理：将页表进行分级，以树形结构组织。
2. 以二级页表为例：
   • 一级页表：存放在内存中，每个页表项指向一个二级页表。
   • 二级页表：同样存放在内存，每个二级页表项指向具体的物理页框。
   • 地址转换：逻辑地址被分为多个部分，如一级页号、二级页号和页内偏移。通过一级页表找到对应的二级页表，再从二级页表找到物理页框，结合页内偏移得到物理地址。对于更多级页表，原理类似，逐级查找。

相较于单级页表在解决内存管理问题上的优势

1. 节省内存空间：
   • 单级页表：若系统支持大量逻辑页，页表会非常庞大，占用大量连续内存空间。例如，32 位地址空间，页面大小为 4KB，页表项大小为 4B，则页表大小为 (2^{32}/4KB \times 4B = 4MB)，这对于内存是较大的开销。
   • 多级页表：只有一级页表常驻内存，其他级页表可按需调入。比如二级页表，只有一级页表项对应的二级页表在需要时才调入内存，减少了内存的占用。
2. 提高内存利用率：多级页表允许不连续分配页表空间，避免了单级页表因需要连续内存空间而可能造成的内存碎片化问题，使内存分配更加灵活高效。
3. 支持更大的地址空间：多级页表的层次结构可以更好地适应更大的逻辑地址空间，随着地址空间位数增加，多级页表通过分级查找的方式，依然能有效管理，而单级页表在面对极大地址空间时，内存消耗和查找效率问题会更严重。