学习日期：2024.6.20

内容摘要：基本分页存储管理的概念

在上一章中我们学习了内存的连续分配管理方式，下面我们将学习非连续的内存分配管理方式。非连续分配管理方式主要有基本分页存储管理、基本分段存储管理、段页式存储管理

本章我们学习基本分页存储管理

什么是分页存储？

将内存空间分为一个个大小相等的分区，每个分区就是一个“页框”（页框=页帧=内存块=物理块），每个页框有一个编号，从0开始。

将进程的逻辑地址空间也分为与页框大小相等的一个个部分，每个部分称为一个“页”或者“页面”，每个页面也有一个编号，从0开始。

注意！页框和页不一样，单字“页”是指页面，是进程的逻辑地址空间的区块，而页框即“内存块”，是内存空间的分区。

页框就好比分好了格子的货架，而页就是大小正好能放进格子里的货物。

操作系统以页框为单位，将进程的每个页面都分别放入一个页框中一一对应，进程的各个页面不必连续存放，可以放到不相邻的页框中，这样就实现了非连续的内存管理。

页表——对应关系的记录者

为了能知道进程的每个页面在内存块中存放的位置，操作系统要为每个进程建立一张页表，通常保存在PCB（进程控制块）中。

一个进程对应一张页表，进程的每个页面对应一个页表项，每个页表项由页号和块号组成，记录进程页面与实际存放的内存块（页框）之间的映射关系。

1.每个页表项多大？占几个字节？

eg.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？

内存块大小=页面大小=4KB=2^12B

2^32/2^12=2^20 故内存块号的范围应该是0~2^20-1

内存块号至少要用20bit表示，故至少要用3B来表示块号。

因为页表项连续存放，因此页号可以是隐含的，不占存储空间。（类比数组，知道首地址）

i号页表项存放地址=页表起始地址+i*页表项大小

因此，每个页表项占3B，存储整个页表要3*(n+1)B

2.如何实现逻辑地址到物理地址的转换？

虽然进程的各个页面是离散存放的，但是页面内部是连续存放的，如图

要访问逻辑地址A，则先确定其对应的页号P，再查页表找到P号页面在内存中的起始地址，确定逻辑地址A的页内偏移量W。

逻辑地址A对应的物理地址=P号页面在内存中的起始地址+页内偏移量W

如何确定页号P和业内偏移量W？

俄罗斯套娃——两级页表

单级页表存在的问题

某32位计算机系统按字节寻址，采用分页式存储管理，页面大小4KB，页表项长度为4B

4KB=2^12B，因此页内地址要用12位表示，剩余20位表示页号

因此，该系统中用户进程最多有2^20页，由因为表项长度位4B，所以一个页表最大需要2^20*4B=2^22B，共需要2^22/2^12=2^10个页框存储该页表

根据页号查询页表的方法必须要页表项连续存放，所以要准备2^10即1024个连续的页框来存放页表

省流：页表占的地方太大了，还必须要连续空间来存放，违背了非连续内存管理的初心

根据局部性原理（详见【内存的扩充技术】），进程在一段时间内只需要访问某几个界面就可以正常运行了，没有必要让整个页表都常驻内存。

回顾：我们是如何解决进程在内存中必须连续存储的问题的？——将进程地址空间分页，并且为其建立一张页表，记录各页面的存放位置。

所以......我们可以套娃！

可以将长长的页表分组，使得每个内存块恰好可以放入一个分组，再为这个分好组的页表，再建立一个“页表的页表”，称为“页目录表”或是“外层页表”

例：

再把这个足足有2^20行的大页表拆成2^10个2^10行的小页表

拆出来2^10个这样类似的小页表               

再建立一个页目录表，把页表所存储到的内存块号和页表号一一对应

两级页表如何实现地址变换？

①按照地址结构将逻辑地址拆分成三部分

②从PCB中读出页目录地址，根据一级页号查页目录表，找到下一级页表在内存中的位置

③根据二级页号查表，找到最终想访问的内存块号

④结合页内偏移量得到物理地址

为什么多出来一个二级页表，反而占的内存少了？

有人可能会疑惑，分了二级表，映射 4GB 地址空间就需要 4KB（一级页表）+ 4MB（二级页表）的内存，这样占用空间不是更大了吗？

还记得局部性原理吗？我们不需要把整个页表都装入内存，只需要把一级页表常驻，如果使用了二级分页，一级页表就可以覆盖整个 4GB 虚拟地址空间，但如果某个一级页表的页表项没有被用到，也就不需要创建这个页表项对应的二级页表了，即可以在需要时才创建二级页表。

假设只有 20% 的一级页表项被用到了，那么页表占用的内存空间就只有 4KB（一级页表） + 20% * 4MB（二级页表）= 0.804MB，这对比单级页表的 4MB 是不是一个巨大的节约？

为什么单级页表不能用局部性原理，部分装入内存来节省空间？

从页表的性质来看，保存在内存中的页表承担的职责是将虚拟地址翻译成物理地址。假如虚拟地址在页表中找不到对应的页表项，计算机系统就不能工作了。所以页表一定要覆盖全部虚拟地址空间，不分级的页表就需要有 100 多万个页表项来映射，而二级分页则只需要 1024 个页表项（此时一级页表覆盖到了全部虚拟地址空间，二级页表在需要时创建）。

我们甚至还可以把二级分页再推广到多级页表（更多的套娃！），这样页表占用的内存空间就更少了，但是也不能无限套下去，因为更多的套娃意味着更长的查询时间。

这一切都要归功于对局部性原理的充分应用。

 内容总结自王道计算机考研《操作系统》 和 人民邮电出版社《操作系统导论》