内存管理-分页存储管理

2026/8/12 1:31:51 拓冰建站浏览量

1. 分页的核心思想

为解决连续分配的碎片问题，将进程逻辑地址空间和内存物理空间按固定大小划分：

页面（Page）：进程逻辑地址空间的固定大小块（如4KB），编号为页号（从0开始）。
页框（Page Frame/物理块）：内存物理空间的固定大小块（与页面大小相同），编号为页框号（从0开始）。
页内碎片：进程最后一个页面可能未占满，产生的内部碎片（平均为半个页面大小）。

2. 分页存储的基本概念

2.1 页面大小

要求：通常为 $2^k$ ，便于地址拆分。
权衡：
- 过小 → 页面数多 → 页表过长，地址转换开销大。
- 过大 → 页内碎片多 → 内存利用率低。

2.2 地址结构

逻辑地址分为两部分：

页号 ( P )：索引页表，确定页面在内存中的物理块。
页内偏移 ( W )：页面内的具体地址（范围：0 ~ 页面大小-1）。
示例：32位地址，页面大小4KB（12位偏移）→ 页号占20位（最多 ( $2^{20}$ ) 个页面）。

2.3 页表

作用：记录进程页面与物理页框的映射关系，实现从页号到物理块号的转换。
结构：每个进程一张页表，每个页表项含物理块号（及状态位等）。
特点：页表项连续存放，页号隐含（通过索引获取，不占用存储空间）。

3. 基本地址变换机构

将逻辑地址转换为物理地址的硬件过程（需页表寄存器PTR支持）：

拆分逻辑地址：
越界检查：若，触发越界中断。
查页表得物理块号：
计算物理地址： $E = b \times L + W$

4. 具有快表（TLB）的地址变换

问题：基本变换需两次访存（查页表+存取数据），速度慢。

优化：增设快表（Translation Lookaside Buffer）——高速缓冲存储器，存放近期访问的页表项。

地址变换流程：

CPU给出逻辑地址，提取页号 ( P )。
快表命中：直接从快表取物理块号 ( b )，拼接 ( W ) 得物理地址（一次访存）。

快表未命中：访问内存页表取 ( b )，拼接 ( W ) 得物理地址，并将该页表项存入快表（两次访存）。

快表特性：

命中率：通常>90%，显著降低访存延迟。
局部性原理：基于程序访问的局部性，近期访问的页面再次访问概率高。

5. 两级页表（解决页表过大问题）

问题：32位系统中，若页面大小4KB、页表项4B，页表项数为 $2^{20}$ ，需 ( 4MB ) 连续内存（无法满足）。

解决方案：对页表再分页，形成外层页表（页目录） 和内层页表：

外层页表：记录内层页表的物理块号（页目录项）。
内层页表：记录进程页面的物理块号（普通页表项）。

两级页表的核心思想

将单级页表进一步分页，形成“外层页表（页目录）+ 内层页表（普通页表）”的两级结构：

内层页表：原单级页表被拆分为多个小页表（每个小页表大小=1页），存放页面→物理块的映射。
外层页表（页目录）：记录各内层页表的物理块号（即内层页表的存放位置），自身大小恰好为1页

地址结构（32位示例）：

地址变换流程：

需借助外层页表寄存器（页目录基址寄存器） 完成，步骤如下：

1.查外层页表：

外层页表寄存器存放外层页表始址。
用 P1作为索引，访问外层页表，得到内层页表的物理块号 b1

2.查内层页表：

内层页表始址 = b1×4KB（页面大小）。
用 P2作为索引，访问内层页表，得到目标页面的物理块号 b2。

3.计算物理地址：物理地址=b2×4KB+W物理地址=b2×4KB+W

访存次数：共3次（外层页表→内层页表→目标内存单元），可通过快表（TLB）优化为1次。

外层页号 ( P1 ) 索引外层页表，得内层页表始址。
内层页号 ( P2 ) 索引内层页表，得物理块号 ( b )。
拼接 ( b ) 与 ( W ) 得物理地址（三次访存，可通过快表优化）。

两级页表的优势

离散存储页表：内层页表可分散存放于不连续的页框，无需大块连续内存。
减少内存开销：仅需将当前使用的内层页表调入内存（未使用的可驻留磁盘，结合虚拟内存）。
外层页表紧凑：大小固定为1页（4KB），易于管理和存放。

6. 多级页表的扩展（64位系统）

64位地址空间下，两级页表仍可能导致外层页表过大（如4KB页面、4B页表项，外层页号需42位，外层页表项数= $2^{42}$ ，无法存储）。

解决方案：采用多级页表（如4级页表），对各级页表递归分页，最终使最外层页表大小为1页，通过多级索引实现地址转换。

核心考点

地址拆分与计算：给定逻辑地址、页面大小，计算页号、页内偏移及物理地址。
快表的作用：减少访存次数（从2次→1次），依赖局部性原理提升命中率。
两级页表的必要性：解决单级页表需连续大内存的问题，通过离散存储页表降低内存开销。
页表项大小：需能容纳物理块号（如32位地址、4KB页面→页表项至少3B，通常取4B对齐）。

总结

分页存储通过“固定大小划分+页表映射”实现内存离散分配，解决了外部碎片问题，但存在页内碎片。快表和多级页表分别优化了地址转换速度和页表存储开销，是现代操作系统的核心内存管理技术。

✨ 一句话记忆：分页固定大小，页表映射地址，快表加速转换，多级页表离散存储！ ✨

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