TTW的定义
TTW 是 Table Walk 的缩写，中文常翻译为"页表遍历"或"查表"。 它是指内存管理单元 在翻译后备缓冲器 未命中时，根据当前进程的页表结构，一步步地查询物理内存中的页表，最终将虚拟地址转换为物理地址的过程。
要理解 T4TW，需要先了解几个背景知识：
- MMU：内存管理单元，是 CPU 的一个硬件部件，负责将软件使用的虚拟地址转换为物理内存使用的物理地址。这是实现虚拟内存、内存保护和多任务隔离的基石。
- 页表：一个存储在物理内存中的数据结构，就像是 MMU 用来查的"地址翻译字典"。它定义了虚拟页到物理页帧的映射关系。现代系统通常使用多级页表（如 x86-64 的四级页表），像一个多层的索引目录。
- TLB：翻译后备缓冲器，是 MMU 内部的一个小型高速缓存。它缓存了最近使用过的"虚拟页号 -> 物理页帧号"的映射关系。当 CPU 需要转换地址时，MMU 首先在 TLB 中查找，如果找到（TLB 命中），转换在一个时钟周期内即可完成，速度极快。
TTW 发生的时机：
当 CPU 需要访问一个内存地址（比如加载指令或数据）时，MMU 首先用该地址的虚拟页号去查找 TLB。如果 TLB 中没有对应的有效表项（即TLB Miss），这时就需要启动 TTW 过程。
TTW 的过程：
TTW 就是 MMU"翻阅"内存中完整页表的过程。以经典的 x86-64 四级页表为例：
- MMU 从 CR3 寄存器（现在叫 IA32_PML4）中获取当前进程的顶级页表（PML4）的物理基地址。
- 用虚拟地址的第 1 段索引位，在 PML4 表中找到一项，获取下一级页表（页目录指针表）的物理基地址。
- 用虚拟地址的第 2 段索引位，在 PDPT 中找到一项，获取下一级页表（页目录）的物理基地址。
- 用虚拟地址的第 3 段索引位，在页目录中找到一项，获取最后一级页表（页表）的物理基地址。
- 用虚拟地址的第 4 段索引位，在页表中找到最终的表项，这个表项中就包含了目标物理页帧号。
- 将物理页帧号与虚拟地址中的页内偏移组合，得到完整的物理地址。
- （关键步骤） 将这次查找到的映射关系（虚拟页号 -> 物理页帧号）写入 TLB 中，以便后续快速访问。
这个过程可能需要 4 次物理内存访问（每一级页表访问一次内存）。由于内存访问速度远慢于 CPU 和 TLB，所以一次 TTW 的代价非常高（通常是数百个 CPU 周期）。
为什么 TTW 如此重要？
- 性能关键路径：TTW 是处理 TLB 未命中的核心操作。如果程序访问的内存模式空间局部性很差（频繁访问大量不连续的地址），会导致大量的 TLB Miss 和随之而来的 TTW，性能会急剧下降。这种现象称为 TLB 颠簸。
- 硬件与软件的实现：
· 硬件 TTW：现代 CPU 的 MMU 内置了硬件表遍历单元。当发生 TLB Miss 时，由这个硬件电路自动完成上述多级页表的查找过程，操作系统无需干预。这是最常见的方式。
· 软件 TTW：在一些较旧的架构（如 MIPS）或某些优化场景下，发生 TLB Miss 时，CPU 会触发一个异常（TLB Fault），并跳转到操作系统内核预设的异常处理程序。由操作系统的代码来执行页表遍历，找到映射后，手动写回 TLB。这给了操作系统更大的灵活性，但速度比硬件 TTW 慢。 - 与缺页异常的区别：TTW 查找的是页表本身。如果 TTW 过程中发现某一级页表项是空的（Present 位为 0），或者权限检查失败，MMU 会触发一个 缺页异常 或访问权限异常。此时，操作系统的缺页异常处理程序会被调用，负责分配物理页、建立映射、从磁盘加载数据等更复杂的工作。可以说，TTW 是"找地图"，而缺页处理是"绘制新地图"。
简单比喻：
· TLB 就像是你记在脑子里的常用电话号码（快速，但容量小）。
· 页表 就像是一本厚厚的电话簿（完整，但在书架上，找起来慢）。
· TTW 就是当你想拨一个号码但脑子里没记住时，去书架上翻开电话簿查找的过程。查完后，你很可能会把这个新号码背下来（填入 TLB），下次再打就快了。