八、操作系統——基本分頁存儲管理的基本概念（詳解）

一、思考：連續分配方式的缺點？

考慮支持多道程序的兩種連續分配方式：

1. 固定分區分配：缺乏靈活性，會產生大量的內部碎片，內存的利用率很低。
2. 動態分區分配：會產生很多外部碎片，雖然可以用“緊湊”技術來處理，但是“緊湊”的時間代價很高。
   如果允許將一個進程分散地裝入到許多不相鄰的分區中，便可充分地利用內存，而無需再進行“緊湊”。基於這一思想，產生了“非連續分配方式”，或者稱爲“離散分配方式”。
   
   連續分配：爲用戶進程分配的必須是一個連續的內存空間。
   非連續分配：爲用戶進程分配的可以是一些分散的內存空間。

二、把“固定分區分配”改造爲“非連續分配版本”

假設進程A大小爲23MB，但是每個分區大小隻有10MB，如果進程只能佔用一個分區，那顯然放不下。
解決思路：如果允許進程佔用多個分區，那麼可以把進程拆分成10MB+10MB+3MB三個部分，再把這三個部分分別放到三個分區中（這些分區不要求連續）。但是，進程A的最後一個部分是3MB，放入分區後會產生7MB的內部碎片。

如果每個分區大小爲2MB，那麼進程A可以拆分成11*2MB+1MB共12個部分，只有最後一部分1MB佔不滿分區，會產生1MB的內部碎片。
顯然，如果把分區大小設置的更小一些，內部碎片會更小，內存利用率會更高。
基本分頁存儲管理的思想——把內存分爲一個個相等的小分區，再按照分區大小把進程拆分成一個個小部分

三、分頁存儲管理的基本概念

將內存空間分爲一個個大小相等的分區（比如：每個分區4KB），每個分區就是一個“頁框”，或稱“頁幀”、“內存塊”、“物理塊”。每個頁框有一個編號，即“頁框號”（或者“內存塊號”、“頁幀號”、“物理塊號”）頁框號從0開始。

將用戶進程的地址空間也分爲與頁框大小相等的一個個區域，稱爲“頁”或“頁面”。每個頁面也有一個編號，即“頁號”，頁號也是從0開始。
（注：進程的最後一個頁面可能沒有一個頁框那麼大。因此，頁框不能太大，否則可能產生過大的內部碎片）

操作系統以頁框爲單位爲各個進程分配內存空間。進程的每個頁面分別放入一個頁框中。也就是說，進程的頁面與內存的頁框有一一對應的關係。各個頁面不必連續存放，也不必按先後順序來，可以放到不相鄰的各個頁框中。

四、思考：如何實現地址的轉換？

將進程地址空間分頁之後，操作系統該如何實現邏輯地址到物理地址的轉換？

先回顧一下，進程在內存中連續存放時，操作系統是如何實現邏輯地址到物理地址的轉換的？（採取動態重定位的方法）

五、如果採用分頁技術，應該如何實現地址轉換？

CPU執行指令1，需要訪問邏輯地址爲80的內存單元，如何轉化爲物理地址？

邏輯地址爲80的內存單元：
應該在1號頁，該頁在內存中的起始位置爲450，邏輯地址爲80的內存單元相對於該頁的起始地址而言，“偏移量”應該是30。
所以，實際物理地址=450+30=480

1. 要算出邏輯地址對應的頁號
2. 要知道該頁號對應頁面在內存中的起始地址
3. 要算出邏輯地址在頁面內的“偏移量”
4. 物理地址=頁面始址+頁內偏移量

如何計算：
頁號=邏輯地址/頁面長度（取除法的整數部分）
頁內偏移量=邏輯地址%頁面長度（取除法的餘數部分）
頁面在內存中的起始位置：操作系統需要用某種數據結構記錄進程各個頁面的起始位置。

頁號=80/50=1
頁內偏移量=80%50=30
1號頁在內存中存放的起始位置450
注意：爲了方便計算頁號、頁內偏移量，頁面大小一般設爲2的整數冪

結論：如果每個頁面大小爲2^K B，用二進制數表示邏輯地址，則末尾K位即爲頁內偏移量，其餘部分就是頁號
因此，如果讓每個頁面的大小爲2的整數冪，計算機就可以很方便地得出一個邏輯地址對應的頁號和頁內偏移量。

六、邏輯地址結構

分頁存儲管理的邏輯地址結構如下所示：

地址結構包含兩個部分：前一部分爲頁號，後一部分爲頁內偏移量W。在上圖所示的例子中，地址長度爲32位，其中0-11位爲“頁內偏移量”，或稱“頁內地址”；12-31位爲“頁號”。
如果有K位表示“頁內偏移量”，則說明該系統中一個頁面的大小是2^K個內存單元
如果有M位表示“頁號”，則說明在該系統中，一個進程最多允許有2^M個頁面

分頁存儲管理中，如何實現地址轉換？

1. 要算出邏輯地址對應的頁號
2. 要知道該頁是對應頁面在內存中的起始地址
3. 要算出邏輯地址在頁面內的“偏移量”
4. 物理地址=頁面始址+頁內偏移量
   注：如果題目中是用十進制數表示邏輯地址，則頁號=邏輯地址/頁面長度（取除法的整數部分）頁內偏移量=邏輯地址%頁面長度（取除法的餘數部分）

七、頁表

爲了能知道進程的每個頁面在內存中存放的位置，操作系統要爲每個進程建立一張頁表。

爲什麼每個頁表項的長度是相同的，頁號是“隱含”的？
Eg：假設某系統物理內存大小爲4GB，頁面大小爲4KB，則每個頁表項至少應該爲多少字節？
4GB=2^32B，
4KB=2^12B
因此4GB的內存總共會被分爲2^32 / 2^12= 2^{20個內存塊**，因此內存塊號的範圍應該是0~2}20-1因此至少要20個二進制位才能表示這麼多的內存塊號，因此至少要3個字節纔夠（每個字節8個二進制位，3個字節共24個二進制位）

各頁表項會按順序連續地存放在內存中。如果該頁表在內存中存放的起始地址爲x，則M號頁對應的頁表項一定是存放在內存地址爲 X+3*M。因此，頁表中的“頁號”可以是“隱含”的。
只需要知道頁表存放的起始地址和頁表項長度**，即可找到各個頁號對應的頁表項存放的位置。在本例中，一個頁表項佔3B，如果進程由n個頁面，則該進程的頁表總共會佔3*n個字節。

八、總結