【操作系统】详解 分页与分段系统存储管理
分页存储管理
分页基本概念
将内存空间分为一个个大小相等的分区（比如每个分区 4KB），每个分区就是一个物理层面的页面即页框。每个页框有一个编号，即 “页框号”，页框号从 0 开始。
将进程的逻辑地址空间也分为与页框大小相等的一个个部分，每个部分称为一个 “页” 或 “页面”。每个页面也有一个编号，即 “页号”，页号也是从 0 开始。
操作系统以页框为单位为各个进程分配内存空间。进程的每个页面分别放入一个页框中。也就是说，进程的页面与内存的页框有一一对应的关系。各个页面不必连续存放，可以放到不相邻的各个页框中。
页表
为了能知道进程的每个页面在内存中存放的位置，操作系统要为每个进程建立一张页表。一个进程对应一个页表，页表记录进程页面和实际存放的内存块之间的映射关系。
如何实现地址转换
虽然进程的各个页面是离散存放的，但是页面内部是连续存放的
如果要访问逻辑地址 A，则：
- 确定逻辑地址 A 对应的 “页号”p
- 找到 p 号页面在内存中的起始地址（需要查页表）
- 确定逻辑地址 A 的 “页内偏移量”W
页号 = 逻辑地址 / 页面长度
页内偏移量= 逻辑地址 % 页面长度
快表
快表，又称联想寄存器（TLB，translation lookaside buffer），是一种访问速度比内存快很多的高速缓存，用来存放最近访问的页表项的副本，可以加速地址变换的速度。与此对应，内存中的页表常称为慢表。
流程：
1. 逻辑地址拆分
进程的逻辑地址被拆分为页号和页内偏移量。例如图中逻辑地址(0, 8)，页号为0，页内偏移量为8。
2. 快表（TLB）查询
首先查询快表（Translation Lookaside Buffer，即 TLB）：
快表是高速缓存，存储最近使用的 “页号 - 内存块号” 映射。
若快表命中（找到目标页号对应的内存块号），则无需访问内存中的页表。
3. 内存页表（慢表）查询
若快表未命中，则需要访问内存中的页表（慢表）：
通过 “页表始址 + 页号” 的计算，找到该页号对应的内存块号。
同时，会将该 “页号 - 内存块号” 映射存入快表（利用局部性原理，提高后续访问效率）。
4. 物理地址合成与内存访问
将内存块号与页内偏移量相加，合成物理地址，最终通过物理地址访问内存中的 “目标页面”。
5. 越界检查
在地址转换过程中，会检查页号是否超过页表长度，若超过则触发越界异常。
这种设计通过快表缓存热点页表项，大幅减少了内存页表的访问次数，从而提升地址转换和内存访问的效率。
局部性原理
- 时间局部性：若程序执行了某条指令或访问了某个数据，不久后该指令或数据很可能再次被执行 / 访问。这源于程序中大量的循环结构，例如循环语句会重复执行同一组指令。
- 空间局部性：若程序访问了某个存储单元，不久后其附近的存储单元很可能被访问。这是因为很多数据在内存中是连续存放的，比如数组元素的连续存储。
两级页表
与两级页表相比，单级页表主要存在以下问题：
1. 内存占用效率低
单级页表需为进程整个虚拟地址空间预先分配页表项，即使大部分地址空间未被使用，也需保留对应的表项。
2. 页表存储的连续性要求高
单级页表必须连续存放在物理内存中。当页表规模较大时（如上述 32 位系统需 4MB 连续空间），在内存碎片较多的情况下，分配连续的大块内存难度极大，甚至可能因无法满足连续空间需求而导致页表无法创建。
3. 对稀疏地址空间的适应性差
进程的虚拟地址空间往往是 “稀疏” 的（如代码段、堆、栈之间存在大量未使用的地址区域），单级页表仍需为这些 “地址空洞” 保留页表项，进一步加剧内存浪费。
4. TLB（快表）利用率低（间接影响）
单级页表项数量庞大（如 64 位系统单级页表需252项），而 TLB 容量有限（仅几十到几百项），导致 TLB 无法缓存大量页表项，频繁触发 TLB 未命中，进而增加内存访问开销。
因此两级页表就是解决方案。可以将长页表分组，使每个内存块可以刚好放入一个分组，并且这些分组离散地存储在内存块中。然后为离散分配的分组在建立一张页表，即顶层页表或者页目录表。
- 顶层页表（一级页表，如页目录表）：存储在物理内存的一个连续页框中，用于管理二级页表的索引。
- 二级页表：可离散存储在物理内存的不同页框中，每个二级页表对应进程虚拟地址空间的一个子区域，仅在需要时才会被分配到物理内存（按需分配）。
分段存储管理
进程的地址空间：按照程序自身的逻辑关系划分为若干个段，每个段都有一个段名（在低级语言中，程序员使用段名来编程），每段从 0 开始编址。
内存分配规则：以段为单位进行分配，每个段在内存中占据连续空间，但各段之间可以不相邻。
段表
段表将段的逻辑地址映射到物理内存中，实现段的地址转换。
分段分页对比
- 页是信息的物理单位。分页的主要目的是为了实现离散分配，提高内存利用率。分页仅仅是系统管理上的需要，完全是系统行为，对用户是不可见的。
- 段是信息的逻辑单位。分段的主要目的是更好地满足用户需求。一个段通常包含着一组属于一个逻辑模块的信息。分段对用户是可见的，用户编程时需要显式地给出段名。
- 页的大小固定且由系统决定。段的长度却不固定，决定于用户编写的程序。
- 分页的用户进程地址空间是一维的，程序员只需给出一个记忆符即可表示一个地址。
- 分段的用户进程地址空间是二维的，程序员在标识一个地址时，既要给出段名，也要给出段内地址。
- 分段比分页更容易实现信息的共享和保护。不能被修改的代码称为纯代码或可重入代码（不属于临界资源），这样的代码是可以共享的。可修改的代码是不能共享的。