操作系统3.1.6 基本分页存储管理

Myth丶恋晨 2023-02-23 08:50 4阅读 0赞

### 回顾：连续分配方式的缺点 ###

**支持多道程序的两种连续分配方式：**

1、固定分区分配：缺乏灵活性，会产生大量的内部碎片，内存利用率低

2、动态分区分配：会产生很多外部碎片，虽然可以用紧凑技术处理，但是代价很高

因此人们思考能否将一个进程分散地装入许多不相邻的分区中，便可以充分地利用内存，而无需再进行紧凑技术了。

基于此，引入非连续分配方式（离散分配方式）。

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### 一、把“固定分区分配”改造为“非连续分配版本” ###

假设进程A大小为23MB，但是每个分区大小只有10MB，如果进程只能占用一个分区，显然放不下。

解决思路：将进程拆分为10+10+3三个部分，再将三个部分分别放到三个分区中（这些分区不要求连续）

此时进程A的最后一个部分是3MB，放入分区后会产生7MB的内部碎片。

如果每个分区大小为2MB，那么进程A可以拆分成11\*2MB+1MB共12个部分，只有最后一部分1MB占不满分区，会产生1MB的内部碎片。

显然，如果把分区大小再设置的更小一些，内部碎片会更小，内存利用率会更高。

基本分页存储管理的思想——把内存分为一个个相等的小分区，再按照分区大小把进程拆分成一个个小部分。

### 二、分页存储管理的基本概念 ###

将内存空间分为一个个大小相等的分区(比如：每个分区4KB)，每个分区就是一个“页框”。或称“页帧”、“内存块”、“物理块”。

每个页框有一个编号，即“页框号”(或者“内存块号”、“页帧号”、“物理块号”)**页框号从0开始**。

将用户进程的地址空间也分为与页框大小相等的一个个区域，称为“页”或“页面”。

每个页面也有一个编号，即“页号”，**页号也是从0开始**。

(注：进程的最后一个页面可能没有一个页框那么大。因此，**页框不能太大，否则可能产生过大的内部碎片**)

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操作系统以页框为单位为各个进程分配内存空间。进程的每个页面分别放入一个页框中。也就是说，进程的页面与内存的页框有一一对应的关系。

![format_png][]

各个页面不必连续存放，也不必按先后顺序，可以放在不相邻的各个页框中。

### 三、如何实现地址的转换 ###

进程分页后，进程的各个页面可以放在不连续的页框中，所以如何实现逻辑地址到物理的地址的转换？

如下图，将下面的进程分页，假设每页大小为50B，那么就分为4个页面。

![format_png 1][]

指令1需要访问逻辑地址为80的单元，逻辑地址为80的内存单元在1号页，如果1号页在内存中的起始位置为450，逻辑地址为80的内存单元相对于该页的起始地址而言，偏移量为30，所以实际物理地址 = 450 + 30 = 480。

> 所以要将逻辑地址转化为实际地址需要：
> 
> 1.  算出逻辑地址对应的页号
> 2.  知道该页号对应的页面在内存中的起始地址
> 3.  计算出逻辑地址在页面内的偏移量
> 4.  物理地址 = 页面起始地址 + 偏移量

手动计算方法：

**页号** = 逻辑地址 / 页面长度（取**整数**部分）（如刚刚那个例子，页号 = 80/50 = 1）  
**页内偏移量 **= 逻辑地址 % 页面长度（取除法的**余数**部分）（页内偏移量 = 80%50 = 30）  
**页面在内存中的起始位置**：操作系统需要用某种数据结构记录进程各个页面的起始位置（1号页在内存中存放的起始位置450）

对于计算机，通常将**页面的大小划分为2的整数次幂**。

假设用32个二进制位表示逻辑地址，页面大小为取2^12B = 4096B = 4KB。

![format_png 2][]

如：逻辑地址2，用二进制表示00000000 00000000 0000**0000 00000010**，前20位二进制对应的十进制值就是逻辑地址2对应的页号，即0号页，而后12二进制位对应的十进制值就是偏移量。如果0号页在内存中的起始地址为X，那么逻辑地址2对应的物理地址就是 X + **0000 00000010**

同理，逻辑地址4097，用二进制表示00000000 00000000 0001**0000 00000001**，前20位二进制对应的十进制值就是逻辑地址4097对应的页号，即1号页，而后12二进制位对应的十进制值就是偏移量。如果0号页在内存中的起始地址为Y，那么逻辑地址4097对应的物理地址就是 Y + **0000 00000001**

结论：如果每个页面的大小为2KB，用二进制表示逻辑地址，则末尾的K位表示页内偏移量，其余部分就是页号

因此，如果让每个页面的大小为2的整数次幂，计算机就可以很方便的得出一个逻辑地址对应的页号和页内偏移量。

如果一个页面的大小为2KB，那分页存储管理的逻辑地址结构为：

![format_png 3][]

地址结构包括两个部分：前一个部分表示页号，后一个部分表示页内偏移量W。

如果有k位表示“页内偏移量”，则说明该系统中一个页面的大小是2^k个内存单元

如果有M位表示“页号”，则说明在该系统中，一个进程最多允许有2^M个页面

### 四、页表 ###

在知道如何计算页号和偏移量后，要计算实际的物理地址，还需要知道页号在内存中的起始地址，如何知道每个页面在内存中存放的位置，操作系统要为每个进程建立一张页表。

![format_png 4][]

1.  一个进程对应一张页表
2.  进程的每一页对应一个页表项
3.  每个页表项由页号和块号组成
4.  页表记录进程页面和实际存放的内存块之间的对应关系
5.  每个页表项的长度都是相同的，页号是隐含的（下小节）

**为什么每个页表项的长度是相同的，而页号是隐含的？**

例：假设某系统物理内存大小为4GB，页面大小为4KB，则每个页表项至少应该为多少字节？

4GB = 2^32B，4KB = 2^12B

因此4GB的内存总共会被分为2^32 / 2^12 = 2^20个内存块，因此内存块号的范围应该是0~2^20-1

因此至少要20个二进制位才能表示这么多内存块号，因此至少要3个字节才够

（每个字节8个二进制位，3个字节共24个二进制位）

![format_png 5][]

各页表项会按顺序连续地存放在内存中  
如果该页表在内存中存放的地址为X，则M号页对应的页表项存放的地址为：X + 3\*M

因此，页表的“页号”可以是“隐含”的。  
只需要知道页表存放的起始地址和页表项长度，即可找到各个页号对应的页表项存放的位置，找到位置后就可以读取该位置的值，即实际内存块号

在本例中，一个页表项占3B，如果进程由n个页面，则该进程的页表总共会占3\*n个字节

### 五、小结 ###

![format_png 6][]

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