转一篇关于内存分页的说明

作者：二十六画生的博客
来源：CSDN
原文：https://blog.csdn.net/u010002184/article/details/77039135

CPU是通过寻址来访问内存的。32位CPU的寻址宽度是 0~0xFFFFFFFF ，计算后得到的大小是4G，也就是说可支持的物理内存最大是4G。

但在实践过程中，碰到了这样的问题，程序需要使用4G内存，而可用物理内存小于4G，导致程序不得不降低内存占用。
为了解决此类问题，现代CPU引入了 MMU（Memory Management Unit 内存管理单元）。

MMU 的核心思想是利用虚拟地址替代物理地址，即CPU寻址时使用虚址，由 MMU 负责将虚址映射为物理地址。
MMU的引入，解决了对物理内存的限制，对程序来说，就像自己在使用4G内存一样。
内存分页(Paging)是在使用MMU的基础上，提出的一种内存管理机制。它将虚拟地址和物理地址按固定大小（4K）分割成页(page)和页帧(page frame)，并保证页与页帧的大小相同。

这种机制，从数据结构上，保证了访问内存的高效，并使OS能支持非连续性的内存分配。
在程序内存不够用时，还可以将不常用的物理内存页转移到其他存储设备上，比如磁盘，这就是大家耳熟能详的虚拟内存。

在上文中提到，虚拟地址与物理地址需要通过映射，才能使CPU正常工作。
而映射就需要存储映射表。在现代CPU架构中，映射关系通常被存储在物理内存上一个被称之为页表(page table)的地方。

虚拟地址空间划分成称为页（page）的单位，而相应的物理地址空间也被进行划分，单位是页帧(frame)，一个在内存，一个在磁盘，页和页桢的大小必须相同。

页的大小为4K，页桢大小与页相同——这点是必须保证的，因为内存和外围存储器之间的传输总是以页为单位的。对应4G的虚拟地址和256M的物理存储器，他们分别包含了1M个页和64K个页帧。

 页表就像一个函数，输入是页号，输出是页桢，实现从页号到物理地址的映射。操作系统给每一个进程维护一个页表。所以不同进程的虚拟地址可能一样。页表给出了进程中每一页所对应的页帧的位置。

意思就是：一个页可存储4K个虚拟内存的地址项，页存储在内存中；一各页帧也是存储4K个物理地址项，页帧存储在磁盘中。页表中保存的是页号与页帧号的映射关系，页表存储在内存中。
进一步优化，引入TLB（Translation lookaside buffer，页表寄存器缓冲）
由上一节可知，页表是被存储在内存中的。我们知道CPU通过总线访问内存，肯定慢于直接访问寄存器的。
为了进一步优化性能，现代CPU架构引入了TLB，用来缓存一部分经常访问的页表内容。TLB存储在寄存器中。

TLB(Translation Lookaside Buffer)转换检测缓冲区是一个内存管理单元,用于改进虚拟地址到物理地址转换速度的缓存。TLB是一个小的，虚拟寻址的缓存，其中每一行都保存着一个由单个PTE(Page Table Entry,页表项)组成的块。如果没有TLB，则每次取数据都需要两次访问内存，即查页表获得物理地址和取数据。

为什么要支持大内存分页？
TLB是有限的，这点毫无疑问。当超出TLB的存储极限时，就会发生 TLB miss，之后，OS就会命令CPU去访问内存上的页表。如果频繁的出现TLB miss，程序的性能会下降地很快。

为了让TLB可以存储更多的页地址映射关系，我们的做法是调大内存分页大小。

如果一个页4M，对比一个页4K，前者可以让TLB多存储1000个页地址映射关系，性能的提升是比较可观的。

假设内存是连续分配的（也就是程序在物理内存上是连续的）
1.进程A进来，向os申请了200的内存空间，于是os把0~199分配给A
2.进程B进来，向os申请了5的内存空间，os把200~204分配给它
3.进程C进来，向os申请了100的内存空间，os把205~304分配给它
4.这个时候进程B运行完了，把200~204还给os
但是很长时间以后，只要系统中的出现的进程的大小>5的话，200~204这段空间都不会被分配出去（只要A和C不退出）。
过了一段更长的时间，内存中就会出现许许多多200~204这样不能被利用的碎片……
而分页机制让程序可以在逻辑上连续、物理上离散。也就是说在一段连续的物理内存上，可能0~4（这个值取决于页面的大小）属于A，而5~9属于B，10~14属于C，从而保证任何一个“内存片段”都可以被分配出去。

页面置换：把一个页面从内存调换到磁盘的对换区中

      抖动：在具有虚存的计算机中，由于频繁的调页活动使访问磁盘的次数过多而引起的系统效率降低的一种现象.

      在地址映射过程中，若在页面中发现所要访问的页面不再内存中，则产生缺页中断。当发生缺页中断时操作系统必须在内存选择一个页面将其移出内存，以便为即将调入的页面让出空间。而用来选择淘汰哪一页的规则叫做页面置换算法

      常用的页面置换算法：

      先进先出法FIFO（置换次数比较多） ;最佳置换法OPT：选择将来不再使用或在最远的将来才被访问的页调换出去（不便于实现）;最近最久未使用LRU:选择在最近一段时间里最久没有使用过的页面予以淘汰 ;Clock置换算法（LRU算法的近似实现）; 最少使用（LFU）置换算法;页面缓冲置换算。

版权属于：邢迪的平行时空

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