📂 操作系统 - Operating System / Chapter II 虚拟化 / Section 2 内存虚拟化 / 2-2 分段与分页

分页的介绍

2026-05-12
#OS

  • 分页的概念

    • “分段“这一内存管理办法存在一个问题，就是内存空间会碎片化(fragmented)。
    • 为了避免这些内存碎片的出现，出现了“分页”这一办法。
    • “分页”并不将进程的地址空间分成几个不同长度的逻辑段（如代码、堆、栈），而是将进程分割为几个固定大小的单元，每个单元成为一页
    • 同时，我们把物理内存视作一个定长槽块的阵列，每个槽块叫做“页帧(Page frame)”；我们也给虚拟内存中的每个页取名为虚拟内存页

  • 进程与分页

    • 操作系统通过页来维护进程的地址空间

      • 一个进程会拥有一个或多个页
      • 对于进程的虚拟地址，一个虚拟地址会包含虚拟页面号(Virtual page number, VPN) 和页内偏移量(Offset)
      • 为了记录地址空间的每个虚拟页在物理内存中的位置，操作系统为每个进程都各自维护了一个页表，操作系统通过页表来完成从虚拟地址到物理地址的转换(translate)

    • 从虚拟地址到物理地址的转换

      • 页表中存储了每个虚拟页面号到物理帧号(PFN, Physical frame number, 也叫”物理页号“)的映射，也就是存储每个虚拟内存页到物理内存页帧的映射
      • 当进程访问虚拟地址时：
        1. 首先操作系统检查目标虚拟地址的虚拟页面号，通过页表获取其对应的物理帧号
        2. 对于偏移量，物理内存和虚拟内存是一致的
        3. 然后将物理帧号和偏移量发送给物理内存，从而完成访问

  • 页表

    • 页表存储在哪里

      • 相较于段表和基址/界限对，页表占用的空间非常大
      • 由于页表太大了，我们不使用MMU来存储页表，而是直接将页表存在内存里
      • 其实操作系统本身也可以有一部分运行在虚拟内存上，所以页表也可以运行在虚拟内存上，甚至实际可能交换到磁盘中，不过在这里先假设页表存储在物理内存上

    • 页表的内容

      • 页表是一个数据结构，用于将虚拟页号映射到物理帧号，每一个单元就是一个页表项(PTE, Page table entry)
      • 实现页表最简单的形式是线性页表(Linear page table)，也就是一个数组。操作系统通过虚拟页号作为索引检索数组，找到对应的页表项，并获得期望的物理帧号
      • 每一个页表项中都有很多个部分，或者说很多个位：
        • 有效位(Valid bit)：用于指示这个地址转换是否有效。例如一个进程的代码与堆在地址空间的一端，栈在另一端，它们中间的这一部分就是无效的，访问无效部分会陷入操作系统
        • 保护位(Protection bit)：表明页是否可以读取、写入或执行。同样，执行不被允许的操作会陷入操作系统
        • 存在位(Present bit)：表示该页在物理存储器上，还是它已被换出(Swapped out)，在磁盘上
        • 脏位(Dirty bit)：表示页被带入内存后是否被修改过
        • 参考位(Reference bit)/访问位(Access bit)：用于追踪页是否被访问了。也可以用于表示这个页受不受欢迎，因此应该留在内存中，这对于页面替换(Page replacement) 非常重要

  • 分页的性能

    • 页表不仅占用的空间很大，使用页表也会让速度变慢
    • 对于一个进程，我们需要给它维护一个页表基址寄存器(Page-table base register) 来存储页表的起始位置的物理地址。这意味着对每个内存引用，分页都会需要我们多执行一次内存引用
    • 显然，虽然分页可以避免外部碎片问题（仍然存在内部碎片问题），但是它还需要优化