操作系统笔记(6)-分页

简介

• 将空间切成不同长度的分片以后，空间本身会 碎片化（fragmented），随着时间推移，分配内存会变得比较困难

• 因此，出现了另一种叫作 分页 思想: 将空间分割成 固定 长度的分片，每个单元称为一页

• 相应地，把物理内存看成是定长槽块的阵列，叫做 页帧（page frame），每个这样的 页帧 包含一个虚拟内存页

如何映射到真实的物理地址

• 接下来，我们关心如何将虚拟页映射到物理页，首先为了记录地址空间的每个虚拟页放在物理内存中的位置，操作系统通常为每个进程保存了一个数据结构，称为 页表（page table）

• 页表 的主要作用是为地址空间的每个虚拟页面保存 地址转换，从而让我们知道每个页在物理内存中的位置

• 假设单页的大小为 16B ，以一个 64B 的虚拟地址和一个 128B 的物理地址为例，它们的 页表 和 页帧 分布如下图:

• 我们可以用一个 6 位的二进制数来表示虚拟地址(2^6 = 64)，由于分为了 4 页，我们可以用高两位来表示地址属于哪一页，也叫 虚拟页面号，然后用剩余四位来表示当先页的 偏移量（offset）

• 如图中的第 0 页对应的 物理帧号（PFN） 为3，那么我们只需要将 虚拟页面号 替换成物理帧即可，而 偏移量 不用改变

页表中究竟有什么

• 页表就是一种数据结构，用于将虚拟地址映射到物理地址，因此任何数据结构都可以采用，以最简单的 线性页表（linear page table） 为例，它就是一个数组

• 操作系统通过虚拟页号检索该数组，找到 页表项（PTE），然后找到期望的物理帧号

• PTE 中除了物理帧号外，还有一些额外的位来表示相关信息，以 x86 架构的 页表项 为例，其结构如下图：

• 存在位(P) ：表示该页是在物理存储器还是磁盘上

• 读写位(R/W) ：确定是否允许写入该页面

• 用户/超级用户位(U/S) ：确定用户模式进程是否可以访问该页面

• (PWT、PCD、PAT 和 G) ：确定硬件缓存如何为这些页面工作

• 访问位(A) ：确定是否可以访问

• 脏位(D) ：表明页面被带入内存后是否被修改过

• 页帧号(PFN)

小结

• 与以前的方法（如 分段）相比，分页有许多优点。首先，它不会导致外部碎片，因为分页将内存划分为固定大小的单元。其次，它非常灵活，支持稀疏虚拟地址空间

• 但是它会导致较慢的机器和内存浪费（内存被页表塞满而不是有用的应用程序数据），因此后面有一些更好的做法，比如 多级页表 ，它将页号不断细分为多级，高层的页表放在内存中，低层的放在硬盘里，然后查找的时候调入内存中即可