第20期 | 一个操作系统可以没有页表吗？

操作系统 · 2026-10-20 · 九羲科技

一、Linux 线

1991 年，Linux 0.01 在 386 上跑起来，用的是一套两级页表：页目录指页表，页表指物理页，4KB 一页。fork 的时候不急着拷内存——先把页表复制一份，原页标成只读，子进程真写了才分配新页（写时复制）。今天早上我把 0.01 的源码从 kernel.org 历史归档里拖下来看了一眼：mm/memory.c 里 copy_page_tables、un_wp_page、do_wp_page 全在。三十五年前写的代码，长得跟今天一个模样。

同一年，阿姆斯特丹的 Minix 1.5，内存是另一幅样子：没有页表，也没有交换分区。管内存的是一个叫 mm 的独立服务器进程，手里攥着一张"空洞表"——哪块内存空着，按地址从小到大排好。fork 就是找个够大的连续空位，把进程整个拷进去。内存满了呢？没有"先换到磁盘腾地方"这一说，fork 直接失败。

1978 年的 Intel 8086 只有分段、没有分页：20 根地址线，1MB 内存，64KB 一个段。Minix 为 8088 而生，用的 ACK 编译器把规矩定死：代码 64K，数据加栈 64K。1985 年 386 问世——第一款带片上内存管理单元、支持分页的 x86 芯片，4KB 一页。Linus 押的是这块芯片的新能力，Tanenbaum 守的是"能印进教科书"的可移植和简单。Minix 直到 2.0.4 才补上交换分区，文档自承那版交换做得 halfbaked（半生不熟）。连教授最后也不得不向实际低头。

1968 年，MIT 的 Peter Denning 已经把"分页为什么能赢"说透了：程序访问内存有局部性，当下真正需要的只是一小撮页面——"工作集"模型。Minix 的抽屉和 Linux 的分页，差的不是聪明，是对"实际"的态度。分页的原理在 Multics 时代就有了，赢的是把它工程化、产品化的人。杨振宁那句"先实际后原理"，1991 年的内存管理就是一则注脚。

二、原生 AI OS 线

如果 AI 的操作系统先出现，内存根本不会被抽象成"线性字节数组"。页表是冯·诺依曼式抽象的登峰造极：把不连续的物理内存，伪装成一条从 0 开始的连续直线。今天的算力主体却是向量阵列——HBM 分 bank，KV cache 分块，注意力按 tile 计算。AI-native 内存的天然单位，是张量块，不是字节页。

"张量页表"会是什么样？表项不再是"虚拟页→物理帧"，而是"语义块→位置＋精度＋驻留层级"。缺页中断变成"缺张量中断"：要用的权重不在 HBM 里，触发一次异步取数，计算和搬运重叠进行。

有意思的是，2023 年已经有人把 OS 的分页思想"转世"回了 AI。伯克利的 PagedAttention（SOSP 2023）：给大模型的 KV cache 做分页——固定大小的块，按需分配，一张块表做映射，vLLM 靠它把吞吐提了 2 到 4 倍。论文摘要开宗明义：inspired by the classical virtual memory and paging techniques in operating systems。1968 年 Denning 的工作集，1991 年 Linux 的页表，2023 年在 HBM 上借尸还魂。好的抽象会转世，只是每次换一身衣服。

《金刚经》一句，搁这儿正合适："若以色见我，以音声求我，是人行邪道，不能见如来。"进程眼里那片连续、从 0 开始的内存，本是页表画的一幅画——是色。Minix 倒诚实：连画都懒得精绘，直接给你看抽屉。以地址之相求内存，是行邪道；Denning 问的才是真问题：什么值得常驻。AI 时代新的"色"叫"无限上下文"——别被窗口大小这个相迷住，多问一句：什么配进 HBM。

x86 两级页表（4KB 页）：页目录→页表→物理页。来源：Wikimedia Commons 开放许可（X86_Paging_4K.svg）

三、现在动手线：今晚就能亲手称一称页表的体重，机器就在手边：

grep -E 'PageTables|MemTotal' /proc/meminfo

我刚在这台虚机上跑过：8GB 内存，页表自己占掉约 21.8MB——这就是"元数据的税"，谁也逃不掉。再玩大一点：用 Python 一次分配 1GB 匿名内存，再看 PageTables，会从 22392KB 涨到 24672KB，多出约 2.2MB。对一下算术：1GB÷4KB=26 万个页，每个页表项 8 字节，正好 2MB，剩下的零头是页目录等上层表的开销。理论和实测在小数点后一位对上了——这种时刻不多，值得截个图。

映射到她手里的四样东西：3090 上跑 70B 模型，KV cache 每 token 约 320KiB，128K 上下文就是 42GB——这正是 Denning 说的"工作集装不进内存"的 2026 年版，PagedAttention 就是解法，vLLM 在 3090 上可以直接装来用；SkyBook 的快慢记忆、存力的温冷分层，都是 OS 内存分层的放大版：热数据常驻，温数据按需取，冷数据换出。1968 年的道理，2026 年还在收租。

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