文章目录
- 1 页的设计目的
- 2 进程块和主存块的对应关系
- 3 页、页框、页表
- 3.1 页（Page）
- 3.2 页框（Page Frame）
- 3.3 页表（Page Table）
- 4 逻辑地址到物理地址的转换
- 4.1 转换过程
- 4.2 具体示例
- 4.3 图示
- 参考资料
- 封面
内存碎片在计算机内存管理中是一个重要问题，影响系统性能。
页机制的设计旨在减少这种碎片化。
1 页的设计目的
内存碎片是计算机内存管理中的一个重要问题。碎片化的内存会导致内存利用率降低，并影响系统性能。页（Page）机制的设计旨在减少内存碎片的产生，其主要目标包括：
- 内存分配的高效管理：通过将内存分割成固定大小的页，简化内存分配和释放的过程。
- 减少外部碎片：固定大小的页能够有效地减少外部碎片，因为每个内存块（页框）都是相同大小，易于管理。
- 内存保护和隔离：页机制提供了内存保护和隔离，防止进程间的内存污染。
- 支持虚拟内存：页机制是虚拟内存实现的基础，使得操作系统能够高效地管理物理内存和磁盘交换空间。
2 进程块和主存块的对应关系
在页机制下，虚拟内存被划分为固定大小的页，而物理内存被划分为相同大小的页框（Page Frame）。进程块（虚拟页）与主存块（物理页框）的对应关系如下：
- 虚拟页：进程的虚拟地址空间被划分为多个固定大小的虚拟页。
- 物理页框：物理内存被划分为多个相同大小的物理页框。
- 映射关系：页表（Page Table）记录了每个虚拟页与物理页框的映射关系。虚拟页可以映射到任意的物理页框，不必是连续的。
这种对应关系使得进程可以灵活地使用物理内存，避免了大块内存分配时可能产生的碎片问题。
3 页、页框、页表
3.1 页（Page）
- 页是虚拟内存中的基本单位，通常大小为4KB。
- 每个进程的虚拟地址空间被划分为多个页。
3.2 页框（Page Frame）
- 页框是物理内存中的基本单位，与页大小相同。
- 物理内存被划分为多个页框。
3.3 页表（Page Table）
- 页表是用于记录虚拟页到物理页框映射关系的数据结构。
- 每个进程都有自己的页表，包含多个页表项（Page Table Entry, PTE）。
- 每个页表项包含物理页框地址和一些控制信息（如有效位、读写权限等）。
4 逻辑地址到物理地址的转换
4.1 转换过程
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逻辑地址分解：
- 逻辑地址（虚拟地址）被分为两部分：页号（Page Number）和页内偏移量（Page Offset）。
- 页号用于查找页表，页内偏移量用于确定页内的具体位置。
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查找页表：
- CPU 使用当前进程的页表基地址和页号查找页表中的对应项。
- 页表项（PTE）包含物理页框的地址和控制信息。
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生成物理地址：
- 如果页表项有效，CPU 将物理页框地址和页内偏移量组合，生成最终的物理地址。
- 如果页表项无效，会触发页面错误，操作系统处理错误（如从磁盘加载页面到内存）。
4.2 具体示例
假设一个简单的 32 位系统，使用 4KB 页大小，虚拟地址结构如下：
- 页号：高 20 位
- 页内偏移量：低 12 位
虚拟地址: [ 页号 | 页内偏移量 ]
[ 20位 | 12位 ]
多级页表结构可能如下：
一级页表: 页号高10位
二级页表: 页号低10位
页内偏移量: 12位
4.3 图示
通过这种页机制和转换过程，操作系统能够高效地管理内存，减少内存碎片，提高系统性能和稳定性。
参考资料
- 16分半还你一个能听懂基本分页存储管理在干嘛的大脑！
封面
来自 DALL-E-3
