单级页表的缺点
前面说了为了提高内存的利用率，内存是分页管理的，并且有一个页表用来存储页号与页框的对应关系。这个思想理论上是没有问题的，但是实际使用的时候就不行了，为什么？
为了更好的提高内存的利用率，每一页就应该做得足够小，但是每一页都要在页表里面有一项与页框对应，也就是说页数越多页表也就会越大，页表如果很大的话就会对内存造成浪费，因为存放页表的这部分你内存是不能给程序使用的，并且一直存放在该进程的PCB里面。那么究竟会造成多大的浪费？假设页面尺寸为4K，地址是32位，那么就有220个页面，页表里面就有220个页表项，如果每个页表项是4个字节，2^20个就是4M；系统并发十个进程，需要40M内存。如果并发一百个就是400M内存，这无疑是一个很大的开销。
但是实际上大部分的逻辑地址根本不会用到。为什么？如果你跑一个小程序，可能只需要几M或者几十M，也就是说页表里面用到的项只占2^20的很小一部分，那么能不能把不需要的那些项给屏蔽掉呢，也就是不存储那些项。
多级页表的提出
第一种尝试：页表里面只存放用到的页
比如一个程序用到了第1，3，5，6页，那么页表里面只需要存储这四页对应的页框号，但是这样的话页表里面的项就不连续了，这样找某一页对应的页框就不能直接使用偏移量的形式了。比较好的方法是折半查找（因为页号是有顺序的）。但是即便使用折半查找耗费的时间也会比使用偏移量大很多倍。比如如果一个表项有210个，时间复杂度log(210)=10,也就是需要10次，而如果使用偏移量就只需要一次就好了。所以页表里面的页号必须是连续的。
第二种尝试：多级页表，页目录表+页表
一个逻辑地址用10bits的页目录号+10bits的页号+12bits的偏移组成。页目录表的每一项对应一个页表，然后再根据页表找到对应的页。这种思想就类似与书本，目录的地方有一个章目录（页目录表）和节目录（页表），如果要查找某一节的内容首先找到这一章的地方，然后再查具体的某一节。我如果要找第五章的第4节，那么前面四章都不用看，直接找第五章就行了，这样除了第五章之外的页号对应的页框号的就不用存了。能节省大量内存；并且保证了章目录和节目录都是连续的，这就意味着可以使用偏移量的形式查找对应的章节。如下图：
多级页表的缺点
但是这种方式也存在一个问题，每一次访问的时候都要根据章目录找到页目录再找到具体的页。也就是需要访问三次内存；cpu每一条指令执行的时间其实大部分都是浪费在访问内存上，cpu的执行速度是非常快的，比如访问内存的时间几乎可以忽略了；换言之，两级页表的形式虽然提高了控件效率，但是在时间上其实是变成了原来的3倍的；这还只是两级页表，如果是4级或者5级的，因为电脑不是32位的啊，现在基本上都是64位的了。
相连快速存储TLB（快表）
在CPU与内存访问之间加一层TLB，TLB是一组寄存器，用来存放最近使用过的页对应的页框号；这样如果CPU需要访问某一页首先在TLB里面找，如果TLB里面有就不用访问内存了，因为TLB是寄存器，cpu访问寄存器的速度远大于对内存的访问速度。这样就可以提升时间性能了。可以看到提升时间性能最主要的因素就是可以在TLB里面直接找到该页对应的页框号。那么如何提升命中率的，首先TLB肯定是越大越好，但是TLB材料很贵，不会做得很大。TLB的大小大概是[64,1024]。为什么TLB里面存放这么少的项就能实现“近似访存1次”？因为程序的局部性原理。程序的局部性原理在用户程序里面对应的就是循环。TLB也被称为快表。
小结
总结一下：为了提高内存的空间性能，提出了多级页表的概念；但是提到空间性能是以浪费时间性能为基础的，因此为了补充损失的时间性能，提出了快表（即TLB）的概念，快表利用的是程序的局部性原理。
参考资料
哈工大李志军操作系统