一、页式存储

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1、CPU 调用数据

存储系统 中 , 操作系统 会将 外存 ( 磁盘 ) 中的数据 , 调入 内存 ( 内存条 ) 中 , 内存中的数据 再 给 CPU 调用 , CPU 中有涉及到 三级高速缓存 和 寄存器 的数据传递 ;

如果 CPU 调用的 数据 不在 内存中 , 此时 CPU 会产生 " 缺页中断 " , 从 外存 调数据 到 内存 中 , 内存数据 就绪后 返回到 中断位置 继续执行 ;

2、内存存储数据弊端

如果磁盘中的文件有 50G , 内存只有 16G , 显然 内存 中只能存放 部分 磁盘数据 , 此外 内存 中的 可用空间 也不一定是连续的 ;

• 内存的 可用空间 不一定够用 ;
• 内存的 可用空间 的 地址不一定是连续的 ;

外存中的数据 , 要 先将数据进行切割 , 然后 在 内存 中 分散放置 切割后的数据 ;

切割方式 不同 , 内存 中 的 数据 的 存储调用 方式 也是 不同的 , 根据切割方式 , 内存的存储方式分为 :

• 页式存储
• 段式存储

3、分页存储

分页存储 , 又称为 页式存储 , 将 用户程序的逻辑地址空间 与 物理内存空间 划分成 相同大小的 块 , 一般是 4KB 或 8KB , 这个区域 称为 " 页 " ;

该 分页 机制 , 避免了 连续分配内存 造成的 碎片问题 , 每个 " 内存页数据 “ 可以 单独映射 到不同的 ” 用户程序 逻辑地址空间 中的 物理页框 " 中 ;

" 用户程序 中的 页 “ 与 ” 物理内存 中的 页 “ , 需要通过 ” 页表 " 对应起来 , 页面中 最基础的内容如下 :

• 页号 : 用户程序 中的 页号 , 又称为 " 逻辑页号 " , 用户程序中的地址 称为 逻辑地址 ;
• 块号 : 物理内存 中的 块号 , 又称为 " 页帧号 " , 物理内存中的地址 称为 物理地址 ;

4、逻辑地址 和 物理地址 的结构

" 用户程序 " 中 查询 内存中的数据 , 程序 中 已知 数据的 " 逻辑地址 " 由 CPU 生成 , 根据 逻辑地址 查询该地址在 哪个 " 内存页 " , 然后再 到 " 页表 " 中 查询 该内存页 " 页号 " 对应的 " 块号 " , 然后到 内存块 中查询 内存块 对应的 " 物理地址 " ;

• 逻辑地址 由两部分组成 : 页号 + 页内地址 ;
  • 页号 : 表示 逻辑地址空间中的具体页 ;
  • 页内地址 : 表示页内的具体位置 , 又称为 " 页内偏移 " ;
• 物理地址 由两部分组成 : 块号 + 页内地址 ;
  • 块号 : 表示 物理地址空间中的具体块 , 又称为 " 页帧号 " 或 " 页框号 " ;
  • 页内地址 : 表示页内的具体位置 , 又称为 " 页内偏移 " ;

逻辑地址 / 物理地址 分为高位 和 低位 , 高位是 页号 或 块号 , 低位是 业内地址 ;

数据 的 逻辑地址 与 物理地址 , 页内地址 是不变的 , 变化的只是前面的 页号 或 块号 , 逻辑地址 高位是 页号 , 物理地址 高位 是 物理内存 的 块号 ;

5、逻辑地址 和 物理地址 的结构 示例

假设 页大小 为 4KB = 4096 Byte , 也就是 $2^{12}=4096$ 字节 ;

4096 个 存储单元 ( Byte ) 如果使用二进制表示 , 需要 使用 0 ~ 4095 闭区间来表示 ;

4095 对应的二进制数字 就是 0b 1111 1111 1111 , 该二进制数字是 12 个 1 ;

4096 个存储单元的取值范围是 0b 0000 0000 0000 ~ 0b 1111 1111 1111 ;

页内地址 / 页内偏移 必须要 12 位 二进制数 才能 表示 ,

如果 页大小是 8KB , 则需要 13 位 二进制数 才能 作为该页的 页内地址 / 页内偏移 ;

给定 4KB 的页大小 的 逻辑地址 , 低位 12 位是其 页内地址 或 页内偏移 , 高位就是 页号 ;

给定一个逻辑地址 , 计算 物理地址 : 页大小 4 KB , 逻辑地址 为 0b 10 1100 1101 1110 , 参考下面的页表 , 计算出其物理地址 ;

逻辑地址 是 0b 10 1100 1101 1110 ,

• 低 12 位是 0b 1100 1101 1110 , 这是 页内地址 / 页内偏移
• 高 2 位 是 0b 10 , 这是页号 , 对应十进制数为 2 , 参考页表 , 页号为 2 的 内存页 对应 块号 为 6 ;

则 物理地址 的高位是 0b 110 , 低位是页内地址 0b 1100 1101 1110 , 拼接物理地址为 0b 110 1100 1101 1110 ;

6、页式存储 优缺点

页式存储 优缺点 :

• 优点 :
  • 利用率高 : 页式存储 页面大小 比较小 , 一般都是 4KB / 8KB 等 , 内存的空间利用率较高 ;
  • 内存碎片小 : 内存页很小 , 因此造成的碎片也很小 ;
  • 分配管理简单 : 通过页表实现 内存管理 , 该结构比较简单 ;
• 缺点 :
  • 系统开销大 : 内存页小 , 太过于零碎 , 导致 操作系统每次都需要查表 根据 页号 找 块号 , 造成很多系统开销 ;
  • 性能抖动 : 内存调度 时 , 可能产生 性能抖动的现象 , 如 : 由于 系统开销问题 导致 的 分配更多的内存导致系统性能下降的情况 ;

下面的表格中 整理的 页式存储 优缺点 更加全面 :

方面	优点	缺点
内存利用率	减少外部碎片，提高内存利用率	可能导致内部碎片
管理复杂度	简化内存分配和回收	页表和多级页表增加了复杂性
虚拟内存	支持虚拟内存，运行比物理内存更大的程序	页面置换引入 I/O 开销
内存保护	提供内存保护和进程隔离	需要额外的硬件和软件支持
多任务并发	支持多任务并发运行	页表切换可能引入额外开销
硬件支持	现代硬件（如 MMU、TLB）提供高效支持	TLB 未命中时性能下降
地址分配	进程地址空间可以非连续存放	地址转换开销大，依赖 TLB 加速
共享机制	方便进程共享内存，减少重复存储	共享页可能导致数据同步问题

二、逻辑地址 与 物理地址

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物理地址 与 逻辑地址 :

• 物理地址 是 内存的实际地址 ;
• 逻辑地址 是 应用程序的 逻辑内存地址 , 每个逻辑地址都有与之对应的 内存条中的 物理地址 , 由 CPU 生成 ;

1、逻辑地址

逻辑地址 定义 : 逻辑地址是 由 应用程序 生成的地址 , 也称为 " 虚拟地址 " , 是程序在执行时使用的地址 , 应用程序通过 逻辑地址 来访问数据或指令 , 而 不需要 直接操作物理内存 ;

逻辑地址 来源 : 逻辑地址 是 在 用户应用程序 运行过程中 由 CPU 生成的地址 , 开发者 或 编译器 并不直接关心物理内存的具体位置 , 只关注逻辑地址的空间 ;

逻辑地址 到 物理地址 的 映射 : 操作系统通过 虚拟内存管理机制 将 逻辑地址 映射到 物理地址 , CPU 发出的 逻辑地址 需要通过 页表、段表 等 映射机制 转换成物理地址 ;

2、物理地址

物理地址 定义 : 物理地址 是 计算机 内存 中实际的地址 , 指向系统物理内存中的具体位置 , 所有 实际的 存储操作 最终都会转化为物理地址 ;

物理地址 来源 : 物理地址 对应的是 计算机硬件 层面内存的真实位置 , 通常 由 操作系统 和 内存管理单元 ( MMU , Memory Management Unit ) 来管理 ;

物理地址 被 内存控制器 用来访问实际的内存单元 , 程序虽然使用逻辑地址 , 但内存访问最终都依赖物理地址 ;

3、逻辑地址 与 物理地址 区别

比较项	逻辑地址（虚拟地址）	物理地址
定义	由CPU生成的程序地址，独立于物理内存	计算机物理内存中的实际地址
别名	虚拟地址（Virtual Address）	真实地址（Real Address）
访问方式	程序访问的地址，由CPU生成	经过地址映射后访问的最终内存地址
地址空间	每个进程有自己的逻辑地址空间	由计算机硬件决定的物理内存空间
管理方式	由操作系统和MMU（内存管理单元）映射到物理地址	由内存控制器直接管理
转换方式	需要通过页表、段表或MMU转换	无需转换，直接用于访问内存
可变性	在程序运行时可变化，由操作系统动态管理	由硬件固定分配，通常不会改变
示例	进程访问地址 0x12345	物理内存地址 0xABCD345

4、逻辑地址 与 物理地址 的转换

在 应用程序 中 , 如果要 查询 内存中的数据 , 首先 要找到数据在 用户程序 中的 逻辑地址 , 然后 去 页表中查询 该 逻辑地址 对应的 物理内存 中的 物理地址 ;

逻辑地址 与 物理地址 之间的转换 由 内存管理单元 ( MMU , Memory Management Unit ) 完成 的 , 转换过程如下 :

• CPU 生成逻辑地址 : 用户应用程序 给出要访问的 逻辑地址 , 并将其传递到 CPU , 逻辑地址 由 页号 和 页内偏移 组成 , 页号 用于查找对应的物理页框 , 页内偏移在页框中保持不变 ;

	逻辑地址 = [页号] + [页内偏移]

• 查找页表 : CPU 根据 当前进程 的 页表 将 逻辑地址 转换为 物理地址 , 操作系统维护一个 页表 , 用于记录逻辑页号与物理页框号的映射关系 , CPU 取出 逻辑地址 中的 页号 , 然后查找页表 , 找到对应的物理页框号 ;
• 生成物理地址 : 物理地址由 页框号 加上 页内偏移 组成 , 上个步骤得到了 页框号 , 直接与 页内偏移 组合成 物理地址 ;

	物理地址 = [物理页框号] + [页内偏移]

• 访问物理内存 :
  • 如果所需的 内存页 在 内存中 , 则直接访问该 物理地址即可 ;
  • 如果所需的 内存页 不在 内存中 , 操作系统会触发一个 缺页中断 ( Page Fault ) , 并将该页面从磁盘加载到内存中 , 最终得到的 物理地址 指向实际的内存位置 ;

三、页表结构 和 物理内存淘汰机制

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1、页表的结构简介

页表 ( Page Table ) 是 页式存储 管理中的关键数据结构 , 用于管理 逻辑地址 到 物理地址 的映射 ;

每个 进程 都有自己的页表 , 页表 存储在内存中 , 由 MMU ( Memory Management Unit , 内存管理单元 ) 负责 查询 和 转换 地址 ;

页表 结构 字段如下 :

• 页号 ( Page Number ) : 逻辑地址 中的 索引 , 用于 查找页表项 ;
• 页帧号 ( Page Frame Number, PFN ) : 物理内存中的 页框号 , 指向数据所在的物理页 ;
• 状态位 ( Valid/Invalid Bit ) : 指示该页是否有效（有效页 = 1，不在内存 = 0）, 记录该 内存页 是否 从 磁盘 ( 外存 ) 中 加载到了 内存 中 ;
  • 如果为 0 , 表示 内存页面 没有在内存中 ;
  • 如果为 1 , 表示 内存页面 在内存中 ;
• 访问位 ( Accessed Bit ) : 记录该页 最近 是否被访问过 , 操作系统可用它进行页面置换 ;
  • 如果为 1 , 表示 内存页面 最近有被访问过 ;
  • 如果为 0 , 表示 内存页面 最近没有被访问过 ;
  • 时间限制 : 如果 之前有被访问过 , 值为 1 , 但是经过一段时间内没有被访问 , 则会被 置为 0 ;
• 修改位 ( Dirty Bit ) : 记录该页是否被修改过 ( 1 = 已修改，需要写回磁盘 ) ;
  • 如果为 1 , 表示 内存页面 最近有被修改过 ;
  • 如果为 0 , 表示 内存页面 最近没有被修改过 ;

页表是逻辑地址到物理地址转换的核心 , 利用状态位、访问位、修改位进行内存管理和页面置换 ;

在现代计算机中 , 通常采用 多级页表 或 反向页表 优化存储和访问性能 ;

2、物理内存 的 淘汰机制

下图中 , 操作系统 只为该 进程 分配了 4 个 物理内存页 ;

对 上述表格 的 状态位 进行分析 :

系统为该 进程 的 1 / 1 / 2 / 5 页号 逻辑内存页 , 分配了 2 / 3 / 5 / 6 页帧号 对应的 物理内存页 ,

3 / 4 页号 的 逻辑内存页 对应的 物理内存页 对应的数据 没有被加载到 物理内存中 , 这部分数据 在 外存 ( 磁盘 ) 中 ;

要访问的 数据 没有加载到 物理内存 的情况 :

如果 想要访问 3 号页 逻辑内存 中的数据 , 但是其 对应的 数据不在 物理内存 中 ,

想要将 3 号页 对应的数据 从 磁盘 加载到 内存 中 , 需要淘汰掉当前的一个 物理内存 页 , 然后再加载对应的 磁盘数据 ;

淘汰 物理内存 页 是有一定的规则标准的 ;

已分配 的 物理内存页 的淘汰原则 :

要淘汰的 是 状态位 为 1 的 物理内存页 , 状态位 为 0 说明没有为 该逻辑内存 分配 ,

之后 根据 访问位 和 修改位 来决定要淘汰哪个 物理内存页 ;

优先淘汰 访问位 为 0 的物理页 ;

如果有多个 物理页 访问位 为 0 , 则继续看 修改位 , 优先淘汰 修改位 为 0 的物理页 ;

3、物理内存 的 淘汰机制 总结

物理页面 淘汰原则总结 :

• 状态位为 1 : 这是 前提条件 ;
• 访问位为 0 : 访问位 为 0 的 页面 优先淘汰 ;
• 修改位为 0 : 如果出现多个 访问位 为 0 的页面 , 考虑 优先淘汰 修改位 为 0 的页面 ;
  • 因为 修改位 为 1 , 系统开销更大 , 将内存数据进行修改 , 会消耗更多的 资源和性能 , 消耗了这么多修改数据 , 将其直接淘汰 不划算 ;

4、案例分析

某个 用户进程 有 8 个 逻辑页面 , 页号为 0 ~ 7 , 每个 内存页大小为 4KB ;

操作系统 为 该 用户进程 分配了 4 个 物理内存 存储块 , 进程的 当前 页表 数据如下 :

逻辑地址 转 物理地址 案例计算

计算进程的 逻辑地址 0x 5148 对应的物理地址 :

页大小为 4KB = 4096 Byte , 也就是 $2^{12}=4096$ 字节 , 4096 个存储单元的取值范围是 0b 0000 0000 0000 ~ 0b 1111 1111 1111 ;

页内地址 / 页内偏移 必须要 12 位 二进制数 才能 表示 ,

给定 4KB 的页大小 的 逻辑地址 , 低位 12 位是其 页内地址 或 页内偏移 , 高位就是 页号 ;

0x 5148 对应的二进制数为 0b 0101 0001 0100 1000 ,

• 低 12 位 为 0b 0001 0100 1000 , 这是 页内偏移 ;
• 高 4 位 为 0b 0101 , 这是 页号 , 对应十进制为 5 , 逻辑页号为 5 ;

查询 页表 , 逻辑页号 5 对应的 物理页帧号为 3 , 对应二进制为 0b 0011 页帧号 , 与 低 12 位 的 页内偏移 0b 0001 0100 1000 组合 ,

得到的 物理地址 为 0b 0011 0001 0100 1000 , 转为 16 进制为 0x 3148 ;

物理地址 页面淘汰 案例计算

计算 如果要访问 逻辑页面 6 , 需要淘汰的页面 :

从 状态位 为 1 的 内存页 中查找 要淘汰的页面 , 逻辑页号 1 / 2 / 5 / 7 对应的页面是已经分配 物理内存 的页面 ;

上述 四个页面中 , 逻辑页 2 的 访问位 为 0 , 说明最近没有访问 , 淘汰掉 逻辑页 2 ;