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文章目录

  • 1. 段式内存管理回顾
    • 1.1 段式内存管理介绍
    • 1.2 软硬件技术的发展
      • 1.2.1 可行的解决方案：按段加载（局部性原理）
      • 1.2.2 更进一步的解决方案：内存分页
      • 1.2.3 段页式内存管理
  • 2. 进阶虚拟存储技术（内存分页的意义）
    • 2.1 页式内存管理中的地址
    • 2.2 页式内存管理中的关键操作
  • 3. 页式内存管理需要注意的问题
    • 3.1 操作系统如何管理实际的物理内存
      • 3.1.1 页框与页面（Frame and Page）
      • 3.1.2 操作系统对物理内存的管理
    • 3.2 页表与不同任务（APP）有怎样的关系？
    • 3.3 页表对于任务的意义是什么？
    • 3.4 页交换时如何选择需要替换的内存页？
      • 3.4.1 FIFO页交换算法原理
      • 3.4.2 LRU页交换算法原理
    • 3.5 页表具体是如何构成的？
      • 3.5.1 单级页表
      • 3.5.2 二级页表
  • 4. 小结

1. 段式内存管理回顾

1.1 段式内存管理介绍

  • 这里的 “ 段 ” 具体的指什么？

    • 一段连续的内存空间
  • 为什么会有段式内存管理？
    • 程序的各个部分相对独立（如：数据段、代码段）
    • 早期x86处理器无法通过一个寄存器访问所有内存单元
    • 解决早期程序运行时的重定位问题
  • 段式内存管理的应用
    • 在x86系列的处理器中，硬件对段式内存管理进行了直接支持
    • 另外，段式内存管理也可使用纯软件实现
    • 核心：段首地址 + 段内偏移地址 = 内存单元地址
  • 段式内存管理在C语言中的体现
    • 数组的本质：一片连续的内存（段）
    • 数组名（array）：数组的起始内存地址（段地址）
    • 数组元素的访问：array[i] <==> *(array + i)

思考：

  • 操作系统中只使用段式内存管理是否足够？

1.2 软硬件技术的发展

  • 硬件技术：

    • 计算机硬件独立化（硬件接口相同，可任意组装）
    • 计算机配置差异化（各部件硬件参数不同，如：内存容量）
  • 软件技术：
    • 应用程序处理的问题越来越复杂（解决实际问题）
    • 应用程序运行需要的资源越来越多（物理内存可能无法满足）

问题：

  • 应用程序规模越来越大，导致多数时候无法加载进入内存，如何解决？

1.2.1 可行的解决方案：按段加载（局部性原理）

  • 只将当前程序运行需要的段加载进内存
  • 当某个段不再需要使用，立即从内存中移除
  • 按段加载可能带来的 问题：
    • 段的大小不确定，可能大于实际的物理内存
    • 段加载时需要具体的长度信息，导致效率不高
    • …

1.2.2 更进一步的解决方案：内存分页

  • 页指的是固定大小的内存片（4KB）
  • 每一个内存段由多个页组成
  • 页 是进行内存管理的基本单位（加载页，换出页）

1.2.3 段页式内存管理

2. 进阶虚拟存储技术（内存分页的意义）

  • 实模式下所使用的是什么地址空间？
  • 保护模式下所使用的是什么地址空间？
  • 如何分离不同应用程序所使用的内存空间？
  • 程序运行需要的内存大于实际物理内存该怎么办？
  • 虚拟内存空间（逻辑地址）
    • 程序执行时内部所使用的内存空间（独立于其它程序）
  • 物理内存空间（物理地址）
    • 物理机器所配置的实际内存空间（所有程序共享）
  • 逻辑地址需要进行 转换 才能得到相对应的物理地址

2.1 页式内存管理中的地址

  • 地址 = 页号 +页内偏移

    • 逻辑地址 = 逻辑页号 + 页内偏移
    • 物理地址 = 物理页号 + 页内偏移
  • 地址转换时仅变更页号即可，页内偏移不变
  • 逻辑地址到物理地址的映射（重定位）

2.2 页式内存管理中的关键操作

  • 页请求：

    • 访问一个逻辑地址时，对应的页不在内存中

      • 从外存中将目标页加到内存中
      • 之后更新页表
  • 页交换：
    • 页请求时发现物理内存不足，需要将暂时不用的页移出

      • 首先，决定并选择需要移除的页
      • 将选中移除的页中的所有数据写入外存
      • 更新页表，重新进行页请求

3. 页式内存管理需要注意的问题

  • 操作系统如何管理实际的物理内存？
  • 页表与不同任务（APP）有怎样的关系？
  • 页表对于任务（APP）的意义是什么？
  • 页交换时如何选择需要替换的内存页？
  • 页表具体是如何构成的？

3.1 操作系统如何管理实际的物理内存

3.1.1 页框与页面（Frame and Page）

  • 页框：物理内存空间中的页（物理页）
  • 页面：逻辑内存空间中的页（逻辑页）

页框用于存储页面内容，而页面内容来源于逻辑内存空间

3.1.2 操作系统对物理内存的管理

  • 操作系统必须知道物理内存的使用情况

    • 建立结构对物理内存进行管理（页框表 Frame Table）
    • 结构记录包括：页框是否被使用，被谁使用，等等
    • 为具体的应用程序分配页表

方式之一：

  • 任务表：

    • 操作系统实现多任务（APP）的关键数据结构，用于记录各个任务的上下文信息。

3.2 页表与不同任务（APP）有怎样的关系？

  • 每个任务都有专属的页表
  • 页表是任务上下文的一部分

3.3 页表对于任务的意义是什么？

  • 页表机制能保证任务无法意外的访问或破坏其它任务的内存
  • 页表是虚拟内存空间和物理内存空间的 “分界线”
  • 因为页表的存在，各个任务才具备相同且独立的内存空间
  • 页表是虚拟内存通往物理内存的 “唯一通道”

任务只能在页表机制下间接访问分配的物理内存，因此无法对其它内存进行访问。

3.4 页交换时如何选择需要替换的内存页？

  • 原则：挑选不再使用的内存页进行替换

    • FIFO页交换算法
      将最先进入内存的页移出
    • LRU页交换算法
      将当前最少使用的页从内存中移出

3.4.1 FIFO页交换算法原理


注：通过页框表（Frame Table）判断是否有空闲页框

3.4.2 LRU页交换算法原理

  • 核心思想：

    • 如果某个页在最近一段时间内没有被访问到，那么在未来一段时间内被访问到的概率很小。

  • 访问计数的更新方式

    • 每个时间周期（Interval）将所有页框的访问计数减 1
    • 当某个页面被访问时（RW）将访问计数加 1
    • 则访问计数最小的页面是最近未被使用的页

3.5 页表具体是如何构成的？

  • 页表的 本质是一个映射表
  • 虚拟内存空间中的每一页映射到一个页框
  • 页表可以看作是一维整型数组（单级页表）

3.5.1 单级页表

  • 每个任务（APP）都有页表
  • 单级页表大小固定（占用固定内存）
  • 根据程序运行的局部性原理：
    • 多数情况下，页表为稀疏状态
    • 单级页表会占用大量内存资源

3.5.2 二级页表

  • 把页号分为两段：页目录 + 二级页号
  • 如果下级页表的所有表项为空，那么页目录为空

  • 二级页表示例：
    假设当前需要访问虚拟页 0x52，则：页目录为 0x5，二级页号为 0x2。所以，根据上图，对应的页框号为 0x31。

4. 小结

  • 操作系统通过页框表对物理地址进行管理（分配与回收）
  • 每个任务都有自己专属的页表，任务通过页表使用物理内存
  • 需要页面置换时，通过规则选择短期内不再使用的页进行置换
  • 单级页表能够快速映射对应的页框，但造成内存浪费
  • 二级页表将页号分为两部分：页目录 + 二级页号
  • 二级页表需要通过一次寻址才能映射到对应的页框

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