4.3.1. 使用 TLB 的預警
TLB 是個處理器核的全域（global）資源。所有執行在處理器核的執行緒與行程都使用相同的 TLB。由於虛擬到實體位址的轉譯是看設置的是哪一個分頁表樹而定的，因此若是分頁表被更改了，CPU 就不能盲目地重複使用快取的項目。每個行程有個不同的分頁表樹（但同個行程中的執行緒並非如此）。假如有的話，系統核心與 VMM（虛擬機器監視器）亦是如此。一個行程的定址空間佈局也是可能改變的。有二種處理這個問題的方式：
- 每當分頁表樹被更改都沖出 TLB。
- 擴充 TLB 項目的標籤，以額外且唯一地識別它們所指涉到的分頁表樹。
在第一種情況中，每當情境切換（context switch）都會沖出 TLB。由於 –– 在大多作業系統中 –– 從一個執行緒／行程切換到另一個時，需要執行一些系統核心的程式碼，TLB 沖出會被限制在離開（有時候是進入）系統核心定址空間時。在虛擬化的系統上，當系統核心必須呼叫 VMM、並在返回的途中時，這也會發生。若是系統核心和／或 VMM 不必使用虛擬位址、或是能夠重複使用與發出系統／VMM 呼叫的行程或系統核心相同的虛擬位址（即，定址空間被重疊了），TLB 只須在 –– 離開系統核心或 VMM 後 –– 處理器恢復一個不同的行程或系統核心的執行時沖出。
沖出 TLB 有效但昂貴。舉例來說，在執行一個系統呼叫時，系統核心程式可能會被限制在數千行觸及 –– 或許 –– 少數的新分頁（或者一個大分頁，如同在某些架構上的 Linux 的情況）的指令。這個操作僅會取代與被觸及的分頁一樣多的 TLB 項目。以 Intel 的 Core2 架構、附加它的 128 ITLB 與 256 DTLB 的項目而言，一次完整的沖出可能意味著被不必要地沖出的項目（分別）會超過 100 與 200 個。當系統呼叫返回（return）到相同的行程時，所有那些被沖出的 TLB 項目都能夠被再次用到，但它們將會被丟掉。對於在系統核心或 VMM 中經常用到的程式碼亦是如此。儘管系統核心以及 VMM 的分頁表通常不會改變，因此 TLB 項目 –– 理論上 –– 能夠被保存相當長的一段時間，但在每次進入系統核心時，TLB 也必須從零開始填入。這也解釋了為何現今處理器中的 TLB 快取並沒有更大的原因：程式的執行時間非常可能不會長到足以填入這所有的項目。
這個事實 –– 當然 –– 不會逃出 CPU 架構師的掌心。最佳化快取沖出的一個可能性是，單獨令 TLB 項目失效。舉例來說，若是系統核心與資料落在一個特殊的位址範圍，那麼僅有落在這個位址範圍的分頁必須從 TLB 逐出。這只需要比對標籤，因而不怎麼昂貴。這個方法在定址空間的一部分 –– 例如，透過一次 munmap 呼叫 –– 被更改的情況下也是有用的。
一個好得多的解法是擴充用來 TLB 存取的標籤。若是 –– 除了虛擬位址的部分以外 –– 為每個分頁表樹（即，一個行程的定址空間）加上一個唯一的識別子（identifier），TLB 根本就不必完全沖出。系統核心、VMM、以及獨立的行程全都能夠擁有唯一的識別子。採用這個方案的唯一議題是，可用於 TLB 標籤的位元數量會被嚴重地限制，而定址空間的數量則否。這表示是有必要重複使用某些識別子的。當這種情況發生時，TLB 必須被部分沖出（如果可能的話）。所有帶著被重複使用的識別子的項目都必須被沖出，但這 –– 但願如此 –– 是個非常小的集合。
當多個行程執行在系統中時，這種擴充的 TLB 標記在虛擬化的範圍之外是有優勢的。假如每個可執行行程的記憶體使用（是故 TLB 項目的使用）受限了，有個好機會是，當一個行程再次被排程時，它最近使用的 TLB 項目仍然在 TLB 中。但還有二個額外的優點：
- 特殊的定址空間 –– 像是那些被系統核心或 VMM 所用到的 –– 通常只會被進入一段很短的時間；後續的控制經常是返回到啟動這次進入的定址空間。沒有標籤的話，便會執行一或二次 TLB 沖出。有標籤的話，呼叫定址空間的快取轉譯會被保留，而且 –– 由於系統核心與 VMM 定址空間根本不常更改 TLB 項目 –– 來自前一次系統呼叫的轉譯等仍然可以被使用。
- 當在二條相同行程的執行緒之間切換時，根本不需要 TLB 沖出。不過，沒有擴充的 TLB 標籤的話，進入系統核心就會銷毀第一條執行緒的項目。
某些處理器已經 –– 一段時間了 –– 實作了這些擴充標籤。AMD 以 Pacifica 虛擬化擴充引入了一種 1 位元的標籤擴充。這個 1 位元定址空間 ID（Address Space ID，ASID）是 –– 在虛擬化的情境中 –– 用以從客戶域（guest domain）的定址空間區別出 VMM 的定址空間。這使得作業系統得以避免在每次進入 VMM（舉例來說，處理一個分頁錯誤〔page fault〕）時沖出客戶端的 TLB 項目、或者在返回客戶端時沖出 VMM 的 TLB 項目。這個架構未來將會允許使用更多的位元。其它主流處理器可能也會遵循這套方法並支援這個功能。