IT заметки по программированию
IT заметки по программированию
IT заметки по программированию
IT заметки по программированию

Что такое страница памяти в операционной системе

20.06.2020
Computer science
Комментариев нет

Страница памяти (Memory Page) в операционных системах

Страница памяти — это фиксированный по размеру блок виртуальной или физической памяти, используемый для управления памятью в современных ОС.

Основные понятия

  1. Виртуальная память – абстракция, позволяющая программам «думать», что у них есть большой непрерывный объём памяти, даже если физической RAM не хватает.

  2. Физическая память (RAM) – реальные модули оперативной памяти компьютера.

  3. Страничная организация памяти – механизм, при котором память делится на страницы для эффективного управления.

Характеристики страницы памяти

  • Размер страницы обычно составляет 4 КБ (x86, x86-64), но может быть и больше (2 МБ, 1 ГБ в режиме Huge Pages).
  • Виртуальные адреса переводятся в физические с помощью таблицы страниц (Page Table).
  • Если страница не нужна, она может быть выгружена на диск (в swap / файл подкачки).

Как это работает?

  1. Программа запрашивает память (например, malloc() в C).

  2. ОС выделяет виртуальные страницы, но физическая память может быть не занята сразу (ленивое выделение).

  3. При первом обращении к странице происходит page fault (страничное прерывание), и ОС загружает данные в RAM.

  4. Если RAM переполнена, менеджер памяти выгружает редко используемые страницы в swap.

Зачем нужны страницы?

✔ Изоляция процессов (один процесс не может читать память другого).
✔ Эффективное использование RAM (загрузка только нужных данных).
✔ Защита от фрагментации (память выделяется блоками фиксированного размера).

Пример

Default
1
2
3
4
Программа: "Дай мне доступ к адресу 0x12345678!"  
ОС: "Этот адрес принадлежит виртуальной странице №100.  
     Проверяю таблицу страниц...  
     Физически он находится в RAM по адресу 0xABCD0000."

Если страницы нет в RAM, процессор генерирует page fault, и ОС загружает её с диска.

Связанные технологии

  • TLB (Translation Lookaside Buffer) – кэш для ускорения трансляции адресов.
  • Huge Pages – страницы большого размера (2 МБ, 1 ГБ) для снижения накладных расходов.
  • Memory-mapped files – файлы, отображаемые в виртуальную память постранично.

Страничная память — ключевой механизм в современных ОС (Windows, Linux, macOS), обеспечивающий безопасность, многозадачность и эффективное управление ресурсами.

 

Translation Lookaside Buffer (TLB) – простыми словами

TLB (буфер ассоциативной трансляции) – это специальный кэш процессора, который ускоряет преобразование виртуальных адресов в физические.

Как это работает?

  1. Программа работает с виртуальными адресами (например, 0x12345678).
  2. ОС и процессор переводят их в реальные адреса в RAM (например, 0xABCDEF00).
  3. Без TLB пришлось бы каждый раз лезть в таблицу страниц (медленно!).
  4. TLB запоминает частые переводы и выдаёт результат мгновенно.

Аналогия из жизни

Представь, что:

  • Таблица страниц – это толстая книга с переводом всех слов.
  • TLB – твой мозг, который запоминает часто используемые слова (например, «Hello» → «Привет») и не лезет в книгу каждый раз.

Зачем нужен TLB?

  • ✔ Ускоряет работу процессора в 10–100 раз (меньше обращений к RAM).
  • ✔ Снижает нагрузку на систему (меньше энергии тратится на поиск адресов).

Что происходит при промахе (TLB miss)?

Если адреса нет в TLB:

  1. Процессор идёт в таблицу страниц (медленно).
  2. Находит нужный перевод.
  3. Добавляет его в TLB для будущих запросов.

Где используется?

Во всех современных процессорах (Intel, AMD, ARM) для:

  • Запуска программ
  • Работы виртуальной памяти
  • Ускорения игр и приложений

HugePages — простыми словами

HugePages (огромные страницы) — это механизм в современных процессорах и ОС, который позволяет использовать страницы памяти большего размера (например, 2 МБ или 1 ГБ вместо стандартных 4 КБ).

Зачем нужны HugePages?

1. Ускорение работы

Обычные страницы (4 КБ) требуют частого обращения к TLB (кэшу адресов).
Чем больше страница, тем меньше запросов к TLB и таблицам страниц → выше производительность.

2. Экономия ресурсов

Меньше записей в таблицах страниц → меньше нагрузка на процессор.
Полезно для СУБД (Oracle, PostgreSQL), виртуализации и высоконагруженных приложений.

3. Уменьшение фрагментации

Большие страницы сложнее выгрузить в swap, поэтому ОС реже трогает их → стабильность.

Сравнение обычных страниц и HugePages

Обычные страницы (4 КБ) HugePages (2 МБ / 1 ГБ)
Много мелких страниц → больше TLB-промахов Большие страницы → меньше TLB-промахов
Чаще обновляются таблицы страниц Таблицы страниц компактнее
Подходят для обычных программ Оптимизированы для серверных нагрузок

Где применяются?

  • Базы данных (Oracle, MySQL, PostgreSQL)
  • Виртуализация (KVM, VMware)
  • Высокопроизводительные вычисления (HPC)
  • Игровые серверы (например, Minecraft с большим RAM)

Как включить HugePages в Linux?

Default
1
2
3
4
5
6
7
8
# Проверить текущие настройки
cat /proc/meminfo | grep Huge
 
# Выделить 100 страниц по 2 МБ (итого 200 МБ)
echo 100 > /proc/sys/vm/nr_hugepages
 
# Закрепить за конкретным приложением (например, Java)
sysctl vm.nr_hugepages=1024

Плюсы и минусы

Плюсы:

  • +20-30% к скорости СУБД
  • Меньше накладных расходов на память

Минусы:

  • Неэффективны для мелких задач
  • Требуют ручной настройки

Вывод

HugePages — это «турбо-режим» для памяти, который ускоряет работу серверов и тяжелых приложений за счёт использования страниц большего размера.

 

Recommended Posts

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *