【软考学习12】页式存储、段式存储、段页式存储和物理逻辑地址转换

叁歲伎倆 2023-09-27 11:44 114阅读 0赞

> 本文讲解了操作系统中进程的存储管理内容，学习了**页式存储**、**段式存储**和**段页式存储**的原理，熟悉逻辑地址和物理地址的转换计算方式。

![在这里插入图片描述][1ed2d476815f4cde9815a677a1f78693.png]

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### 一、进程存储概论 ###

**进程数据存储**是操作系统中比较重要的内容。

比如我的计算机有 16G 运行内存，如下图所示。

![在这里插入图片描述][5346c2e429c441d9aaf9f54dae0ec84d.png]

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我将计算机开机后，假设**操作系统消耗了 2G** 的运行内存，我打开了**某开发工具消耗了 5G** 运行内存，又打开了**某通讯工具消耗了 1G** 运行内存，如下图所示。

![在这里插入图片描述][b3cac10e19e4434f9c59928d1e7e78fa.png_pic_center]  
此时我又需要运行一个软件，消耗 900M 的内存，请问应该如何分配？

目前存在四种分配方法，分别是**首次适应法**、**最佳适应法**、**最差适应法**和**循环首次适应法**。

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#### 1.1 首次适应法 ####

**首次适应法**的原理，就是**从上到下寻找第一个能放的内存块，找到后放下**，所以会放在如下图所示的位置。

![在这里插入图片描述][01e23d1d269143e2bdbd0be33dc32feb.png_pic_center]

#### 1.2 最佳适应法 ####

**最佳适应法**的原理，就是**遍历所有现有内存块后，找到能满足的最小内存块**，如下图所示。

![在这里插入图片描述][77a1535eb9784944887940c7b5f3772b.png_pic_center]

#### 1.3 最差适应法 ####

**最差适应法**的思路刚刚和最佳适应法相反，**遍历所有现有内存块后，找到能满足的最大内存块**，如下图所示。

![在这里插入图片描述][0593f366bfd44180a6f0eb93aad7fe05.png_pic_center]

#### 1.4 循环首次适应法 ####

**循环首次适应法**将当前空闲的内存块从上到下（3G、1G、1G、3G）串成一个圈，如下图所示。

![在这里插入图片描述][35b19aae006240faa30b57aec33ea312.png_pic_center]  
接着每次遍历最先可放的空闲块，遍历到 3G 发现可以放下，所以直接放，如下图所示。

![在这里插入图片描述][f5256ae68599414ca7594cfad930da45.png_pic_center]  
同理，第二次若再找一个 900M 内存块，那就放在 1G 块这里，如下图所示。

![在这里插入图片描述][460be073750f4c6688d1f10e4f6223bd.png_pic_center]

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但这种内存分配方式总体上存在着缺陷，理论上来说，计算机运行内存总共为 16G，我已经用了 8G，还剩下 8G 内存。

但是此时如果我**再运行 5G 的软件，就已经无法运行了**，因为没有 5G 的内存块供我使用，所以我们需要使用**页式存储**。

![在这里插入图片描述][0dd587a722c14a4d8aa48669ca2d1dcc.png_pic_center]

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### 二、页式存储管理 ###

#### 2.1 页式存储原理 ####

高级程序语言在设计时使用**逻辑地址**，但在运行时需要用物理地址在内存中寻找，这就涉及到**逻辑地址和物理地址的转换**问题，软考中经常考到。

**页式存储**是把计算机的存储器划分成**大小相等**的多个区域，每个区域称为一块，并对它们按照顺序编号。

> 物理地址 = 块号 X 块长 + 页内地址

而程序的**逻辑地址是将内存划分为何块大小相等的页**，同样按顺序编号。

在分页式存储模式中，允许将每一页分散存储在物理块中，要求程序能在主存（内存）中找到每个页面所对应的物理块，确保作业的正确运行。物理地址的块是真实存在的，而逻辑地址是人们在编程时拟定的，**所以有一个关联表，即页表**。

总体的结构图如下：

![在这里插入图片描述][b55877ddc6504c3da0d08b860eadd3b4.png_pic_center]

使用了**页式存储**，比如每一页设定为 4K 大小。

我们运行一个需要 503K 内存的程序，只需要为其分配 126 页即可，剩下浪费的 1K 可以忽略不计，也就是**利用率高、碎片小**。

有了固定页面大小之后，取址计算可通过乘法计算，**分配和管理比较简单**。

但使用页式存储需要实时维护页表，**增加了系统开销**。

根据经验表明，**使用页式存储可能会出现倒挂现象**，即内存给与越多，缺页率可能反而更改，这个后续章节会讲到。

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总的来说，页式存储的流程如下：

*  将进程虚拟空间划分为长度相等的多个页，并按顺序编号。
 *  将内存空间同样划分为多个存储块（物理块），和页一样大，同样按顺序编号。
 *  为进程分配内存时，以块为单位，根据页表匹配，将若干页分别装入可以不相邻的物理块中。

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#### 2.2 逻辑地址和物理地址转换 ####

页式存储地址可分为页号（P）和页内地址（W），如下图所示。  
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物理地址也可分为块号和页内地址，如下图所示。

![在这里插入图片描述][09f98039a442462c8af4dbe3cfa676f6.png_pic_center]  
由此可得，在进行逻辑地址和物理地址转换时，**只需要根据页表，将页号替换为块号（页帧号）即可，而后面的页内地址无需变动**。

![在这里插入图片描述][9a77d6372e24496ba554a3822f05e3dd.png_pic_center]

> 题目：比如进程 P 有 6 个页面，页号分为是 0 到 5，页面大小为 4K，页表如下所示，已知逻辑地址为 5A29H，求十六进制的物理地址。

因为页面大小为 **4K**，4K = 2 的 **12 次方**，可得页内地址为 **12 位**。

已知逻辑地址为 **5A29H**，转换为二进制就是 0101 **1010 0010 1001**，后面的 12 位（1010 0010 1001）就是页内地址。

可得前面四位 0101 就是页号，查表可得块号为 6，转换二进制为 0110。

所以物理地址的二进制为 0110 **1010 0010 1001**，转换十六进制为 **6A29H**。

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### 三、段式存储管理 ###

简单来说，段式存储管理是将页式存储组织的**页大小设置为不固定**。

因为程序一般都是由主程序、子程序、堆栈等元素组成，每一段都有自己独立的作用，我们不能去断章取义，所以**将一段作为单位存储在内存中**，也是一种很好的方式，这就是**段式存储**。

每个作业都由独立段组成，可以给段做个编号，即逻辑地址从 0 开始编号。

段内地址是连续的，段和段之间的地址是不连续的，**段式存储的逻辑地址由段号和段内地址**组成，如下所示。  
![在这里插入图片描述][0182a1250da14b958e8cd4e0c0651ee3.png_pic_center]  
段式存储的结构如下所示：

![在这里插入图片描述][3aadd7641bee40079a56c097084c64fa.png_pic_center]

*  优点：多个程序**可共享内存**，而且读写互不影响。
 *  缺点：内存**利用率低**，**碎片大**。

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### 四、段页式存储管理 ###

**段页式存储**管理方式结合了页式存储和段式存储的方法，采用了分段的方式，每一段作业独立编程，再把段分成若干个页面，相当于**在段式的基础上再套了一层页式存储算法**，存储结构如下所示。

![在这里插入图片描述][3c0a3c5ae0fb49c3bd52f2246d262070.png_pic_center]

*  优点：**利用率高、物理地址连续存储**。
 *  缺点：使用段页式存储需要实时维护段页表，**增加了系统开销**，使得执行速度下降。

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### 五、总结 ###

除了**页式存储**、**段式存储**和**段页式存储**之外还有一种**快表**。

**快表**是一种高速缓存（Cache）组成的小容量的存储器，特点是速度快，一般用于存放瞬时访问最多的数据，也是很好的进程存储容器，在本文中不再详细讲解。

本文讲解了操作系统中进程的存储管理内容，学习了**页式存储**、**段式存储**和**段页式存储**的原理，熟悉逻辑地址和物理地址的转换计算方式。

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