【操作系统】内存管理——两级页表、基本分段存储管理方式、段页式管理方式

1. 两级页表

1. 单级页表存在的问题

2. 如何解决单级页表的问题

问题一：页表必须连续存放，因此当页表很大时，需要占用很多个连续的页框。

方案：把页表再分页并离散存储，然后再建立一张页表记录页表各个部分的存放位置，称为页目录表，或称外层页表，或称顶层页表。

问题二：没必要让整个页表常驻内存，因为进程在一段时间内可能只需要访问某几个特定的页面。

方案：可以在需要访问页面时才把页面调入内存（虚拟内存技术）。可以在页表中增加一个标志，用于表示该页面是否已经调入内存。

3. 两级页表的原理、地址结构

32为逻辑地址空间，页表项大小为4B，页面大小为4KB，则页内地址占12位。 说明：这种方法其实就是将原来一个页表拆分成了多个页表，存放在不同的页框中，由于页面大小为4KB，即页框大小也不能超过4KB，所以页内地址占12位，两级页表每级最大占用10位。

4. 如何实现地址转换

1. 按照地址结构将逻辑地址拆分成三部分。
2. 从PCB中读出页目录表地址，再根据一级页号查页目录表，找到下一级页表在内存中的存放位置。
3. 根据二级页号查二级页表，找到最终要访问的内存块号。
4. 结合页内偏移量得到物理地址。

最终要访问的内存块号为4，该内存块的起始地址为4*4096=16384，页内偏移量为4095，最终的物理地址为16384+4095=20479。

说明：每个页面大小为4KB，即编号为0~4095之间。对上述例子中的二级页表项存放位置为3*4096+1*4=12292。

5. 几个细节

1. 若分为两级页表后，页表依然很长，则可以采用更多级页表，一般来说各级页表的大小不能超过一个页面。

2. 两级页表的访存次数分析（假设没有快表机构）

第一次访存：访问内存中的页目录表。

第二次访存：访问内存中的二级页表。

第三次访存：访问目标内存单元。

2. 基本分段式存储结构

1. 分段

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，每个段都有一个短命（在低级语言中看，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，但各段时间可以不相邻。

由于是按逻辑功能模块划分，用户编程更方便，程序的可读性更高。

分段系统的逻辑地址结构由段号（段名）和段内地址（段内偏移量）所组成。如： 段号的位数决定了每个进程最多可以分几个段。段内地址位数决定了每个段的最大长度是多少。

2. 段表

程序分为多个段，各段离散地装入内存，为了保证程序能正常运行，就必须能从物理内存中找到各个逻辑段的存放位置。为此，需为每个进程建立一张段映射表，简称“段表”。

1. 每个段对应一个段表项，其中记录了该段在内存中的起始位置（又称“基址”）和段的长度。
2. 各个段表项的长度是相同的。
3. 段号可以是隐含的，不占存储空间。

3. 地址变换

4. 分页、分段管理对比

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，用户编程时需要显示地给出段名。

页的大小固定且由系统决定。段的长度却不固定，决定于用户编程的程序。

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与保护。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。例如生产者和消费者和消费者模型中的临界资源，做成分段的形式。 访问一个逻辑地址需要几次访存？

1. 分页（单级页表）：第一次访存——查内存中的页表，第二次访存——访问目标内存单元。总共两次访存。
2. 分段：第一次访存——查内存中的段表，第二次访存——访问目标内存单元。总共需要两次访存。与分页系统类似，分段系统中也可以引入快表机制，将近期访问过的段表项放到快表中，这样可以少一次访存，加快地址变换速度。

3. 段页式管理方式

1. 分段、分页优缺点分析

2. 分段+分页=段页式管理

将进程按逻辑模块分段，在将各段分页（如每个页面4KB）。

再将内存空间分为大小相同的内存块/页框/页帧/物理块。

将各页面分别装入各内存块中。

3. 段页式管理的逻辑地址结构

段号的位数决定了每个进程最多可以分几个段。页号位数决定了每个段最大由多少页。页内偏移量决定了页面大小、内存块大小是多少。

4. 段表、页表

每个段对应一个段表项，每个段表项由段号、页表长度、页表存放块号（页表起始地址）组成。每个段表项长度相等，段号是隐含的。

每个页面对应一个页表项，每个页表项由页号、页面存放的内存块号组成。每个页表项长度相等，页号是隐含的。

4. 小结