2.3操作系统-存储管理：页式存储、逻辑地址、物理地址、物理地址逻辑地址之间的地址关系、页面大小与页内地址长度的关系、缺页中断、内存淘汰规则

• 页式存储
• 逻辑地址、物理地址
• 如何判断物理地址和逻辑地址它们之间的地址关系？
• 页面大小与页内地址长度的关系
• 例题
• 总结
• 缺页中断
• 内存淘汰规则

在存储管理当中，操作系统会负责将外存的一些文件调入到内存当中，以便给CPU调用，如果调用的内容不在内存当中，那么会产生一种中断，叫做缺页中断。然后从外存调数据，调完数据再返回，接着访问之前的断点部分。

在调用的过程当中，如果是一个几十G的文件，调入到内存是一下放不进去的，如果是大型游戏，几百G，都放入内存显然是不可能的。

如果只调用一部分内容，是不是内存就恰好有足够大小的连续空间去放置呢？
太理想化了，这个可能性并不大。所以在存储管理当中，从外存调入数据到内存当中的时候，一般会把完整的内容切割之后，分散的进行放置，那么分割的方式不一样，会有不同的调用方式。

页式存储

分页存储管理，分页存储也就是页式存储的过程。它会将文件与内存都划分成相同大小的区域，这个区域我们叫做页，或者叫做块。

逻辑地址、物理地址

知道相应的页或块之后，我们只需要将页和内存当中对应的位置关系以一个表记录下来，就可以记录它们之间的映射关系。
这个表我们把它叫做页表，页表最基础的内容会包含在用户程序当中的页号，我们一般把它叫做逻辑页号，程序里面的地址叫做逻辑地址。

调入到内存之后，放到内存的什么位置呢？
我们把对应关系记录下来，我们叫做页帧号，或者物理块号，它在内存当中的地址我们称为物理地址。

对于物理地址和逻辑地址，我们一般会对应用程序根据逻辑地址查表，从而得到它的内存当中的物理地址，然后在实际的访问这个内容，整个过程当中，需要掌握逻辑地址和物理地址的转换关系。

如何判断物理地址和逻辑地址它们之间的地址关系？

我们所有的地址都会划分成两个部分，一个部分是在页内的具体地址，一个是在页外的出现的页号编号，这种编号与页号之间的关系类似于在寄快递的时候，先省市区，再是街道门牌号，较大的地址范围会放在高位上，细节的地址范围会放在低位上，一般低位我们把它叫做页内地址，它是在固定区域大小当，它所定义的一个偏移量，高位就是它对应的编号。

一个完整的地址，一般会用二进制，或者十六进制，有时候也会用十进制来表示，那么怎么确定哪里是页内地址，哪些是页号？
这个时候，会涉及到对页面大小的定义，如果页面存储系统当中，每个页的大小都是4KB，我们在回到主存编制的过程中，现在有一个页面大小的区域，总容量大小是4KB，在未知的情况下，默认按字节编组，也就是4KB/1B=4KB=4096个存储单元，可以表示的编号是0 ~ 4095，如果用比特位二进制来表示的话，则是000000000000 ~ 111111111111。

页面大小与页内地址长度的关系

可以总结下4KB的对应关系：4KB大小的页需要十二位二进制来表示2¹²的不同的编码，对应4K个存储单元编号，对应4KB大小。依此类推，页面大小8KB，则页内地址长度为2¹³。

有了这种对应关系之后，将相应的地址转换成二进制，数一数页内地址的长度(从右往左数)，第一位是页内地址，剩余的高位就是页号。

例题

例如页式存储系统中，每个页的大小4KB。
逻辑地址：10 1100 1101 1110，求物理地址

4K个存储单元编号，对应4KB大小
逻辑地址：10 1100 1101 1110，因此从右往左数12位，还剩下左面的10，10所对应的十进制数是2，也就是页号为2，排除的12位是页内地址，是不变的，于是根据图中页表可知，块号为6，6转换为二进制是110

所以对应的物理地址：110 1100 1101 1110

总结

页的大小一般是以KB为单位的，相对来说，页面大小比较小。

在页式存储中，对于内存进行页面分配的时候，要么页面空闲，我们把它塞满，要么它已经占用了，一般可以利用到的碎片空间都可以利用，如果碎片空间小于页面大小，才不能够使用，所以在分配内存的时候，空闲的碎片一般会小于页面大小，空间利用率高，分配管理起来就比较简单。

但也正因为如此，页面太过于零碎，所以每次都需要查表去找相应的页面，这样增加了系统的开销；以页面位单位来进行调度的时候可能会产生抖动现象。所谓抖动现象就是给某一个进程分配3个页面，那它需要淘汰调用新页面的次数n，会小于给进程分配4个页面的情况，这种情况就是说明虽然系统增加了硬件设备，但是系统整体性能反而降低了，这个想想就叫做抖动。

高级程序语言使用逻辑地址，
运行状态，内存中使用物理地址。

逻辑地址=页号+页内地址
物理地址=页帧号+页内地址

优点：利用率高，碎片小，分配及管理简单
缺点：增加了系统开销；可能产生抖动现象

缺页中断

在调用的过程中，会给用户进程分配个别的一些内存页面来给它用，但是有限的页面肯定是不够用的，当想要访问某个用户程序页的时候，发现它并不在内存中，就会产生缺页中断。

内存淘汰规则

有缺页中断后，就需要把这个页面调用到内存当中，那么已经满了，要怎么调用？需要把内存已有的数据给剔除出去，这个剔除遵循下述规则：

页表相对来说比较复杂，还会记录相应的界面是否在内存的状态位，还有是否访问的访问位，是否修改的修改位。访问位会定时清零，也就是说，最近访问的最近是有时间限制的，如果超过了这个时间，没有再次被访问，则会认为近期不再会被访问，因此将访问位置为0。

修改位只要被修改过，就会置为1，不论过了多久。

上图只分配了2，3，5，6四个物理页，剩下的并没有使用，也就是说0，1，2，5号逻辑页已经在内存了，那么躲过现在想用3号逻辑页，怎么做？

需要经内存当中，已有的逻辑页淘汰一个，才能使用3

淘汰规则：
前提条件：状态位为1（0表示都不在内存，自然无法内存参与淘汰）
①访问位为0，（根据局部性原理来看，最近访问过的页面接下来很有可能用到，这种页面尽可能保留）
②访问位都为0，再优先淘汰修改位为0，（修改位为1，则开销成本会更大，如果刚把修改的页面费半天劲淘汰了，而且为了一致性原则，还同步了外存，但是立马又要修改，这种情况就很麻烦，所以一般是最后用完之后再去淘汰，可以避免不必要的开销和重复修改）