12 操作系统第三章 内存管理 非连续分配管理方式 基本分页存储管理 基本分段存储管理 段页式存储管理

1 基本分页存储管理

连续分配：为用户进程分配的必须是一个连续的内存空间。
非连续分配：为用户进程分配的可以是一些分散的内存空间。

1.1 什么是分页存储

1. 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”（页框=页帧=内存块=物理块=物理页面）。每个页框有一个编号，即“页框号”（页框号=页帧号=内存块号=物理块号=物理页号），页框号从 0 开始 。
   

2. 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“页面” 。每个页面也有一个编号， 即“页号”，页号也是从 0 开始 。
   

3. 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。 各个页面不必连续存放，可以放到不相邻的各个页框中。
   （注意：进程的最后一个页面可能没有一个页框那么大。也就是说，分页存储有可能产生内部碎片，因此页框不能太大，否则可能产生过大的内部碎片造成浪费）

1.2 重要的数据结构——页表

为了能知道进程的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。

注：页表通常存在PCB（进程控制块）中

1. 一个进程对应一张页表
2. 进程的每个页面对应一个页表项
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映射关系
5. 每个页表项的长度是相同的
   

核心问题：

1. 每个页表项多大？占几个字节？
2. 如何通过页表实现逻辑地址到物理地址的转换？

1. 已知计算机中内存块的数量→页表项中块号至少占多少字节？

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？

1. 内存块大小=页面大小=4KB=2¹² B
2. 4GB的内存总共会被分为 2³²/2¹² =2²⁰个内存块
3. 内存块号的范围应该是0~ 2²⁰-1
4. 内存块号至少要用20bit来表示 →至少要用3B来表示块号（3*8=24bit）

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）

引出问题：假设页表中的各页表项从内存地址为X的地方开始连续存放…
如何找到页号为i的页表项？
i号页表项的存放地址=X+3*I因此，页表中的页号可以是隐含的，即页号不占用存储空间

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？

1. 内存块大小=页面大小=4KB=2¹² B
2. 4GB的内存总共会被分为 2³²/2¹² =2²⁰个内存块
3. 内存块号的范围应该是0~ 2²⁰-1
4. 内存块号至少要用20bit来表示 →至少要用3B来表示块号（3*8=24bit）
5. 由于页号是隐含的，因此每个页表项占3B，存储整个页表至少需要3*(n+1)B

2. 如何实现地址的转换

进程在内存中连续存放时 ， 操作系统是如何实现逻辑地址到物理地址的转换的？
过程如下：

思考：将进程地址空间分页之后 ，操作系统该如何实现逻辑地址到物理地址的转换 ？

特点：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

如果要访问逻辑地址A，则 ：

1. 确定逻辑地址A对应的“页号”P
2. 找到P号页面在内存中的起始地址（需要查页表）
3. 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

子问题：如何确定一个逻辑地址对应的页号、页内偏移量？

Eg：在某计算机系统中，页面大小是50B。某进程逻辑地址空间大小为200B，则逻辑地址110对应的页号、页内偏移量是多少？

如何计算：
页号=逻辑地址/页面长度 （取除法的整数部分）
页内偏移量=逻辑地址%页面长度（取除法的余数部分）

本例中页号=110/50=2
页内偏移量=110%50=10

逻辑地址可以拆分为（页号，页内偏移量）
通过页号查询页表，可知页面在内存中的起始地址
页面在内存中的起始地址+页内偏移量=实际的物理地址

逻辑地址→物理地址，二进制转化

在计算机内部，地址是用二进制表示的， 如果页面大小刚好是2的整数幂，则计算机硬件可以很快速的把逻辑地址拆分成（页号，页内偏移量）

假设某计算机用32个二进制