分页式内存管理

Posted 2020-12-22 shiqi17

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篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了分页式内存管理相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

原文：https://www.tomorrow.wiki/archives/334

页式存储器管理是操作系统中十分重要的内容，这也正是虚拟存储关键技术之一。如果没有理解页式管理、段式管理和段页式管理，那么对操作系统中的虚拟内存理解也只有十之一二，因为操作系统中的各个概念都是密不可分的，你中有我，我中有你。本文将讲述内容包括一级页表、快表、二级页表和多级页表。

页

相对物理块来说，页是逻辑地址空间（虚拟内存空间）的划分，是逻辑地址空间顺序等分而成的一段逻辑空间，并依次连续编号。页的大小一般为 512B~8KB。

例如：一个 32 位的操作系统，页的大小设为 2^12=4Kb，那么就有页号从 0 编到 2^20 的那么多页逻辑空间。

物理块

物理块则是相对于虚拟内存对物理内存按顺序等大小的划分。物理块的大小需要与页的大小一致。

例如：2^31=2Gb 的物理内存，按照 4Kb/页的大小划分，可以划分成物理块号从 0 到 2^19 的那么多块的物理内存空间。

逻辑地址结构

页式存储管理中，逻辑地址可以解读成页号+地址偏移量（页内地址）。如下图所示：

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这是一个 32 位的逻辑地址，页大小设为 2^12=4Kb。高 20 位则是页号，低 12 位则是页内地址。逻辑地址为 A，页面大小为 L，则页号 P 和页内地址 d 计算公式如下：

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页表

页表是记录逻辑空间（虚拟内存）中每一页在内存中对应的物理块号。但并非每一页逻辑空间都会实际对应着一个物理块，只有实际驻留在物理内存空间中的页才会对应着物理块。

页表是需要一直驻留在物理内存中的（多级页表除外），另外页表的起址和长度存放在 PCB（Process Control Block）进程控制结构体中。

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逻辑地址到物理地址的变换过程

1、进程访问某个逻辑地址时，分页地址机构自动将逻辑地址分为页号和页内地址

2、页号大于页表长度，越界错误

3、页表项的地址 p = 页表起始地址 F + 页号 P * 表项大小 S，从而得到对应的物理块号 B

4、页和物理块的大小是一致的，所以页内地址=块内地址

5、然后物理地址 = 物理块号 B * 页大小 L + 页内地址

6、根据物理地址读取数据

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例：某系统采用分页式存储管理，页大小为 2KB。已知进程 A 的逻辑地址空间为 4 个页，内存分配如下页表所示，求逻辑地址 4832 的物理地址。（所有数据都是十进制）

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解：

2KB=2048B

页号 P=逻辑地址/页大小=4832/2048=2

页内地址 F=逻辑地址%页大小=4832%2048=736

根据页表查得 2 号页对应着 25 号物理块

物理地址 A=物理块号*页大小 + 页内地址=25*2048+736=51936

快表(TLB，Translation Look aside Buffer)

快表是为了加快虚拟地址到物理地址这个转换过程而存在的。页式存储管理的快表一般存放在 CPU 内部的高速缓冲存储器 Cache。快表与页表的功能类似，其实就是将一部分页表存到 CPU 内部的高速缓冲存储器 Cache。CPU 寻址时先到快表查询相应的页表项形成物理地址，如果查询不到，则到内存中查询，并将对应页表项调入到快表中。但，如果快表的存储空间已满，则需要通过算法找到一个暂时不再需要的页表项，将它换出内存。因为高速缓冲存储器的访问速度要比内存的访问速度快很多，因此使用可以大大加快虚拟地址转换成物理地址。根据统计，快表的命中率可以达到 90%以上。

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一级页表的缺陷

由于页表必须连续存放，并且需要常驻物理内存，当逻辑地址空间很大时，导致页表占用内存空间很大。

例如，地址长度 32 位，可以得到最大空间为 4GB，页大小 4KB，最多包含 4G/4K=1M 个页。若每个页表项占用 4 个字节，则页表最大长度为 4MB，即要求内存划分出连续 4MB 的空间来装载页表；若地址程度为 64 位时，就需要恐怖的 4*2^52Byte 空间来存储页表了。而且页表采用的是连续分配，不是分页分配。

采用离散分配方式的管理页表，将当前需要的部分页表项调入内存，其余的页表项仍驻留在磁盘上，需要时再调入。

二级页表

二级页表即是对页表本身采用分页式管理，对页表本身增加了一层页表管理。页的大小就是一个页表的大小，一个页表只能装在一个页中。

地址换算：

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