6 物理内存管理：非连续内存分配

6.1 非连续内存分配的需求背景

6.1.1 非连续分配的设计目标

连续分配的缺点

• 分配给程序的物理内存必须连续
• 存在外碎片和内碎片
• 内存分配的动态修改困难
• 内存利用率较低

非连续分配的设计目标

提高内存利用效率和管理灵活性

• 允许一个程序使用非连续的物理地址空间
• 允许共享代码和数据
• 支持动态加载和动态链接

6.1.2 非连续内存分配的实现

非连续分配需要解决的问题：如何实现虚拟地址和物理地址的转换

• 软件实现：灵活，但开销大
• 硬件实现：够用，开销小

非连续分配的硬件辅助机制：如何选择非连续分配中的内存分块大小

• 段式存储管理
• 页式存储管理

6.2 段式存储管理

6.2.1 段地址空间

进程的段地址空间由多个段组成

• 主代码段
• 子模块代码段
• 公用库代码段
• 堆栈段
• 堆数据
• 初始化数据段
• 符号表等

段式存储管理的目的：更细粒度和灵活的分离与共享

段地址空间是不连续的二维结构

6.2.2 段访问机制

段的概念

• 段表示访问方式和存储数据等属性相同的一段地址空间
• 对应一个连续的内存块
• 若干个段组成进程逻辑地址空间

段访问：逻辑地址由二元组（s, addr）表示

• s ： 段号
• addr ： 段内偏移

段访问的硬件实现

段表的每个条目都有段基地址（该段在内存中开始的内存地址）和段界限（长度）

6.3 页式存储管理

6.3.1 页式存储管理

页帧

• 把物理地址空间划分为大小相同的基本分配单位
• 2的n次方，如512，4096，8192

页面

• 把逻辑地址空间也划分为相同大小的基本分配单位
• 帧和页的大小必须是相同的

页面到页帧

• 逻辑地址到物理地址的转换
• 页表
• MMU/TLB

6.3.2 帧 Frame

物理内存被划分成大小相等的帧

内存物理地址的表示：二元组 （f， o）

f： 帧号 （F位， 共有 \(2^F\) 个帧）

o：帧内偏移（S位，每帧有 \(2^S\)字节）

物理地址 = f * \(2^S\) + o

基于页帧的物理地址计算实例

在16-bit的地址空间，9-bit大小的页帧下

物理地址表示 = （3，6）

物理地址 = f * \(2^S\) + o

实际物理地址 = 512 * 3 + 6 = 1542

6.3.3 页 Page

进程的逻辑地址空间被划分为大小相当的页

页内偏移 = 帧内偏移

通常 页号大小 \(\neq\) 帧号大小

进程逻辑地址的表示：二元组 （p， o）

p： 页号 （P位，代表共有 \(2^P\)个页）

o： 页内偏移 （S位，每页有 \(2^S\)字节）

虚拟地址 = p * \(2^S\) + o

页式存储中的地址映射

• 页到帧的映射
• 逻辑地址中的页号是连续的
• 物理地址中的帧号是不连续的
• 不是所有的页都有对应的帧

6.3.4 页表

页表保存了逻辑地址——物理地址之间的映射关系

6.4 页表概述

6.4.1 页表结构

每个进程都有一个页表

• 每个页面对应一个页表项
• 随进程运行状态而动态变化
• 页表基址寄存器（PTBR：Page Table Base Register）
  • 当页表非常大时，需要将页表放入内存中，并用PTBR指向页表。改变页表只需要改变这一寄存器即可，大大降低了切换时间

页表项组成：

• 帧号：f
• 页表项标志
  • 存在位：用于指示该页是否已调入内存
  • 修改位：表示该页在调入内存后是否被修改过
  • 引用位：用于记录本页在一段时间内被访问次数

页表地址转换示例

可见，4是没有放入内存中，3已放入内存了。

6.4.2 页式存储管理机制的性能问题

内存访问性能问题

• 访问一个内存单元需要2次内存访问
• 第一次：获取页表项
• 第二次：访问数据

页表大小问题：

• 页表可能非常大
• 64位机器每页1024个字节，一个页表大小为：3+54=57位。 2的57次幂！

如何处理？

• 缓存
• 间接访问

6.5 快表和多级页表

6.5.1 快表（TLB）

缓存近期访问的页表项。

如果TLB命中，物理页号可以很快被获取

如果TLB未命中，对应的表项被更新到TLB中。

• TLB：转换表缓冲区。TLB条目有键、值组成，可以快速查找页表，但条目数不多，为64～1024之间。
• TLB只包括页表中的一小部分条目，当CPU产生逻辑地址后，其页号提交给TLB。如果找到页号，那么也就得到了帧号。
• 如果页码不在TLB中（即TLB失效），那么就需要访问页表。当得到帧号后，可以访问内存。同时页号和帧号都会增加到TLB中，下次再用就可以快速查找到。如果TLB中的条目已满，那么操作系统就会选择一个来替换。

6.5.2 多级页表

通过间接引用将页号分成k级

• 建立页表树
• 减少每级页表长度

两级页表实例

6.6 反置页表

大地址空间问题

对于大地址空间系统，多级页表变得繁琐。

比如5级页表，逻辑（虚拟）地址空间的增长速度快于物理地址空间。

因此，有一种新的思路： 页寄存器和反置页表

• 不让页表与逻辑地址空间的大小相对应
• 让页表与物理地址空间的大小相对应

6.6.1 页寄存器

每一个帧与一个页寄存器关联，寄存器内容包括：

使用位：此帧是否被进程占用

占用页号：对应的页号p

保护位

页寄存器示例

物理内存大小：4096 * 4096 = 4K * 4KB = 16MB

页面大小：4096 bytes = 4KB

页帧数：4096 = 4K

页寄存器使用的空间（假设每个页寄存器占8字节）：

8 * 4096 = 32KB

页寄存器带来的额外开销：

32K/16M = 0.2%

虚拟内存的大小：任意

页寄存器方案的特征

优点

• 页表大小相对于物理内存而言很小
• 页表大小与逻辑地址空间大小无关

缺点

• 页表信息对调后，需要根据帧号可找页号
• 在页寄存器中搜索逻辑地址中的页号

6.6.2 页寄存器中的地址转换

CPU生成的逻辑地址如何找对应的物理地址？

• 对逻辑地址进行Hash映射，以减少搜索范围
• 需要解决可能的冲突

用快表缓存页表项后的页寄存器搜索步骤

• 对逻辑地址进行Hash变换
• 在快表中查找对应页表项
• 有冲突时遍历冲突项页表
• 查找失败时，产生异常

快表的限制

• 快表的容量限制
• 快表的功耗限制

6.6.3 反置页表

基于Hash映射值查找对应页表项中的帧号

每个元素有三个域：pid、页号、指向下一项的指针

• 进程标识与页号的Hash值可能有冲突
• 页表项中包括保护位、修改位、访问位和存在位等标识

反置页表的Hash冲突

6.7 段页式存储管理

在段式存储管理的基础上，给每个段加一级页表。

段页式存储管理中的内存共享

通过指向相同的页表基址，实现进程间的段共享。

操作系统 6 物理内存管理：非连续内存分配

原文：https://www.cnblogs.com/QingYuAn-Wayne/p/14077659.html