操作系统：分页存储管理方式（精简版、含例题）

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操作系统分页存储管理方式：从概念到实践的深度剖析

一、引言

存储管理在计算机系统中至关重要，负责高效管理内存资源，包括分配、回收，保障安全稳定，提升使用效率。随着应用场景变复杂、程序规模扩大，传统连续存储弊端凸显，分页存储管理应运而生。它通过分页处理，解决内存碎片问题，提高内存利用率与系统性能，为多道程序并发执行提供高效方案，是现代操作系统的基础，深入理解它对掌握操作系统原理和优化性能意义重大。

二、分页存储管理的基本概念

（一）定义与核心思想

分页存储管理将内存和程序空间划分为等大的“页”，内存物理空间分“物理块”，程序逻辑地址空间分“逻辑页”，程序离散存于不同物理块，避免内存碎片，提高内存利用率。

（二）页与物理块

• 页：逻辑地址空间中程序的基本划分单位，大小固定（如4KB、8KB ），便于程序分页与管理，页内逻辑地址连续。
• 物理块：内存物理空间基本划分单位，与页大小相同，是数据存储单元，使内存管理更灵活，提升内存利用率与系统并发能力。

（三）优势与场景

分页存储管理可解决内存碎片问题，支持多道程序并发执行，便于程序动态加载卸载。适用于多用户多任务系统（如Windows、Linux ）、大型应用程序及服务器环境。

三、分页存储管理的具体实现

（一）逻辑地址结构

逻辑地址由页号和页内偏移组成，页号用于定位页表项获取物理地址，页内偏移确定页内位置。如页大小4KB时，逻辑地址低12位为页内偏移，高位为页号。

（二）页表

页表是逻辑地址到物理地址映射的关键结构，记录逻辑页对应物理块号等信息，由页表项组成，含物理块号、页状态及访问权限等。结构有单级、多级、反置页表，分别适用于不同场景。

（三）页表寄存器与地址转换

页表寄存器存当前进程页表始址和长度。地址转换时，依逻辑地址页号和寄存器信息找到页表项，取物理块号，与页内偏移组合得物理地址。若页不在内存，产生缺页中断，需从外存调入并更新页表。

（四）内存分配与回收

内存分配有静态和动态两种，静态简单但易浪费资源，动态按需分配，常见算法有首次适应、最佳适应、最坏适应。回收时标记物理块为空闲，归还到空闲链表，注意合并相邻空闲块以减少碎片。

四、分页存储管理的优化技术

（一）快表（TLB）

快表是高速缓存，存近期频繁访问页表项。地址转换先查快表，命中则直接获物理块号，未命中再访内存页表并更新快表。以典型系统为例，可大幅缩短地址转换时间，提升系统性能，适用于频繁访存程序。

（二）多级页表

程序规模扩大使页表占内存空间剧增，多级页表将其分层（如二级页表 ），可按需调入活跃部分，节省内存空间，适用于大地址空间系统（如64位 ），但增加地址转换复杂度与时间开销。

（三）反置页表

反置页表以物理块为中心管理，表项记录物理块被占用情况，地址转换需遍历，常结合哈希表加速查询。它减少页表内存占用，适用于内存有限但进程多的系统（如嵌入式 ），但进程多时有地址转换效率问题。

五、分页存储管理的性能分析

（一）访问时间与有效访问时间

基本分页系统访问时间为两次内存访问时间之和。有效访问时间综合快表命中率、缺页率等因素，公式为$EAT=h\times (t_{TLB}+t_{mem})+(1-h)\times (t_{TLB}+2\times t_{mem})$ ，缺页时需加上调页时间。

（二）缺页中断

程序访页不在内存时触发缺页中断，流程为暂停进程、选置换页（内存满时 ）、写回外存（页修改时 ）、调入目标页、更新页表、恢复进程。影响因素有页面大小、程序局部性、页面置换算法。

（三）页面置换算法

• 最佳置换（OPT）：选未来最长时间不用的页，理论上缺页率最低，用于理论分析。
• 先进先出（FIFO）：选最早入内存的页，简单但可能出现“Belady现象”，性能差。
• 最近最久未使用（LRU）：依页面访问历史选最长未访问页，性能接近OPT，实现成本高。
• 时钟（Clock）：LRU近似算法，通过循环链表模拟指针，兼顾性能与复杂度，应用广泛。不同算法各有优劣，需依需求选择平衡内存利用率与响应速度。

六、实际操作系统中的分页应用案例

（一）Windows

采用多级页表结合快表机制，逻辑地址分页目录索引、页表索引和页内偏移。利用快表加速地址转换，引入“会话空间”“进程空间”实现内存隔离，内存分配回收结合伙伴系统，减少碎片。

（二）Linux

多级页表结构，支持多种页面大小。缺页中断和页面置换采用基于LRU的改进算法，维护多个LRU链表，引入透明大页技术优化内存使用。

（三）其他操作系统

• macOS：采用统一虚拟内存架构，结合分页技术动态管理内存，引入内存压缩技术，物理内存不足时压缩不活跃页面，推迟页面置换。
• 嵌入式操作系统（如VxWorks）：分页管理轻量化高效化，用简单页表结构，针对硬件优化地址转换，依应用场景定制页面置换算法，保障关键任务实时稳定。

七、考研例题

例题1

在分页存储管理系统中，某进程的页表如下所示。已知页面大小为4KB，逻辑地址为0x12345（十六进制），则该地址对应的物理地址是多少？

页号	物理块号
0	2
1	3
2	5

题目解答：

1. 首先，将逻辑地址0x12345转换为二进制。0x12345对应的二进制为0001 0010 0011 0100 0101。
2. 因为页面大小为4KB = 2^12B，所以页内偏移量占12位。那么，逻辑地址的低12位为页内偏移量，即00 0101 0001 0001 01，高4位为页号，即0001，也就是页号为1。
3. 从页表中查得页号1对应的物理块号为3。
4. 物理地址 = 物理块号 << 12 | 页内偏移量。将物理块号3转换为二进制为0011，左移12位后为0011 0000 0000 0000，再与页内偏移量00 0101 0001 0001 01进行按位或运算，得到物理地址为0011 0001 0100 0101，转换为十六进制为0x3145。

例题2

设有一页式存储管理系统，向用户提供的逻辑地址空间最大为16页，每页2KB，内存总共有8个存储块，试问逻辑地址至少应为多少位？内存空间有多大？

题目解答：

1. 因为逻辑地址空间最大为16页，2^4 = 16，所以页号需要4位来表示。
2. 每页2KB = 2^11B，所以页内偏移量需要11位来表示。
3. 那么逻辑地址至少应为4 + 11 = 15位。
4. 内存总共有8个存储块，每个存储块大小与页面大小相同为2KB，所以内存空间大小为8 × 2KB = 16KB。

例题3

在一个分页存储管理系统中，采用快表（TLB）和慢表（内存中的页表）相结合的方式进行地址转换。假设快表的命中率为80%，访问快表的时间为10ns，访问慢表的时间为100ns，访问内存的时间为100ns，处理一次缺页中断的平均时间为100ms（已含更新TLB和页表的时间），进程的驻留集大小固定为2页，采用最近最少使用（LRU）页面置换算法。若某进程在执行过程中访问了逻辑地址A，导致了一次缺页中断，请问该进程访问地址A的有效访问时间是多少？

题目解答：

1. 由于发生了缺页中断，首先需要处理缺页中断，时间为100ms = 100,000,000ns。
2. 缺页中断处理完后，要重新访问地址A，此时先访问快表（命中率80%），若命中则访问时间为10ns + 100ns（访问内存） = 110ns；若未命中，访问慢表，时间为100ns（访问慢表） + 100ns（访问内存） = 200ns。
3. 这里因为之前发生了缺页中断，所以第一次访问快表肯定未命中，访问慢表后更新快表，第二次访问快表命中的概率为80%。所以平均访问时间为：
   $0.8\times (10+100)+0.2\times (100+100)=88+40=128ns$
4. 那么该进程访问地址A的有效访问时间 = 处理缺页中断时间 + 重新访问地址A的平均时间 = 100,000,000 + 128 = 100,000,128ns。