【2021/7/19 更新】【梳理】简明操作系统原理第五章分页（docx）

最新推荐文章于 2025-04-06 00:00:00 发布

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本文主要介绍了操作系统的分页管理机制，重点解析了分页的原理和Linux中的页大小。通过实例展示了内存访问过程，并讨论了TLB管理和页共享带来的效率提升。提供了相关教材和资源链接供深入学习。

配套教材：
Operating Systems: Three Easy Pieces Remzi H. Arpaci-Dusseau Andrea C. Arpaci-Dusseau Peter Reiher
参考书目：
1、计算机操作系统（第4版）汤小丹梁红兵哲凤屏汤子瀛编著西安电子科技大学出版社

在线阅读：
http://pages.cs.wisc.edu/~remzi/OSTEP/
University of Wisconsin Madison 教授 Remzi Arpaci-Dusseau 认为课本应该是免费的。
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这是专业必修课《操作系统原理》的复习指引。
需要掌握的概念在文档中以蓝色标识，并用可读性更好的字体显示 Linux 命令和代码。代码部分语法高亮。
文档下载地址：
链接：https://pan.baidu.com/s/1VrNaWopghd-81_qAawY2mQ
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五分页

有时我们说，操作系统在内存空间管理上有两种方法：第一种是把空间切成变长的小片，例如分为不同大小的段。但这种方法容易因为段长不同而引起碎片。第二种方法则是分为固定大小的小片，称为分页（paging）。一页对应物理内存中的同样大小的一块空间，称为页帧（page frame），有时简称帧（frame）。
分页机制是虚拟地址机制的实现基础，使得为进程划分地址空间更高效，也使得管理空闲内存的流程更简化。
正确实现分页需要硬件和软件的配合。操作系统维护一张记录了所有的空闲内存页的空闲列表。此外，物理内存中还有页表（page table），存放逻辑页与物理页帧的对应关系。每个进程都有自己的页表，进程控制块（PCB）中存有指向页表的指针。
页表只能由操作系统修改，不能由用户修改。页表也可以放在属于操作系统的地址空间中。

在Linux的终端下输入命令：

getconf PAGE_SIZE
显示值：4096。Linux的页大小一般是4 KB。
在内存管理相关的信息中，不可能将每一个字节都精确记录下来，否则这些信息本身占用的空间就会远远超过内存的总空间，内存管理也就完全失去了实际意义。所以，必须将内存分成“一块一块”的结构进行整体管理。只按页及页之间的关系记录，记录量就少了非常多。
常见的页大小有4 KB、16 KB、32 KB和64 KB，有的嵌入式系统使用1 KB的页大小。

进行地址翻译时，虚拟地址被拆成两段：虚拟页号（virtual page number，VPN）和偏移（offset）。页大小是4 KB时，偏移就有12位（212 = 4096）。虚拟页号会被转换成物理页号（physical page number，PPN），又称物理帧号（physical frame number，PFN）或物理块号，偏移则不翻译。
分段的一个主要缺点是：将连续的地址空间分成了若干个块。在学习汇编语言和C / C++的过程中，相信大家深有体会：汇编语言中，对不同段的操作是比较麻烦的；而分页机制能够令编译器和程序员不用顾忌页号和页偏移。

页表可以很大。如果计算机中正在运行某个应用，其进程一共占用了1 GB的内存（事实上，使用较新的浏览器多开几个十多个网页，总的内存使用就可以轻松达到这个数），那么就有218页。页表项（page table entry）要记录哪些信息呢？

·首先是物理帧号。以Intel Core-i5 8400为例，物理地址开启了39位，就有27位来标识页帧。
·此外，需要1位有效位（valid bit）来刻画这个页是否有效（是否在内存中）。如果地址空间中的这个页未被使用（分配），它会被记无效。当尝试访问被标记为无效的页面时