配有TLB的系统中页面置换策略的工作原理是什么？

页面置换的执行流程 #

页面置换的决策和执行主体是操作系统内核，TLB只是页表项（PTE）的硬件高速缓存，不参与置换决策，也不会直接触发内存页的逐出，完整执行逻辑如下：

• 当物理内存不足时，内核会基于当前使用的置换算法（如时钟算法、LRU近似算法等）扫描所有物理页对应的PTE，通过引用位、修改位等元数据筛选出适合回收的页面。
• 确定要回收某页后，内核首先修改对应PTE的有效位，标记该页已经不在物理内存中。
• 接下来内核会执行TLB击落（TLB Shootdown）操作：向所有CPU核心发送IPI（处理器间中断），要求所有核心清除自己TLB中该PTE对应的缓存条目。如果TLB支持ASID（地址空间标识符），只需要清除对应进程ASID下的条目即可，不需要全局刷新。
• 等到所有核心的TLB都完成刷新后，内核才会处理该物理页的后续操作：如果是已修改的脏页，先写回对应的后端存储（磁盘、交换分区等），最后将该物理页标记为空闲，纳入内存分配池供后续使用。

TLB与页表的一致性保障 #

不存在直接替换TLB条目就逐出内存的情况：

• TLB的条目替换是硬件自动执行的，当TLB满了又有新的PTE需要缓存时，硬件会按照自己的替换策略（一般是LRU）淘汰旧的TLB条目，但这个操作完全不会影响对应的物理页和页表项，只是删除了缓存副本而已。
• TLB和页表的一致性完全由内核主动维护：所有修改PTE的操作之后，内核必须主动刷新对应TLB条目，避免后续访问命中过时的缓存导致访存错误。

TLB缓存的PTE是否会被特殊保留 #

不会因为PTE缓存在TLB中就被特殊避免置换：

• 绝大多数CPU架构的设计是：当TLB命中、页面被访问时，硬件会自动将对应PTE的引用位置为1，所以只要该页近期被访问过，置换算法扫描到它时引用位不会是0，自然会被判定为活跃页，不会被优先回收。
• 如果真的出现某个在TLB中的PTE引用位为0的情况，说明该页已经很久没被访问过了，内核还是会按照正常流程置换：先清理TLB对应条目，再回收物理页，没有专门针对TLB缓存PTE的保留规则。

内容的提问来源于stack exchange，提问作者Zheping Yin