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　　在上一篇介绍的几种多道编程的内存管理模式中，以交换内存管理最为灵活和先进。但是这种策略也存在很多重大问题，而其中最重要的两个问题就是空间浪费和程序大小受限。那么有什么办法可以解决交换内存存在的这些问题呢？答案是分页，它是我们解决交换缺陷的“不二法门”。

一、分页内存管理

1.1 解决问题之道

　　为了解决交换系统存在的缺陷，分页系统横空出世。分页系统的核心在于：将虚拟内存空间和物理内存空间皆划分为大小相同的页面，如4KB、8KB或16KB等，并以页面作为内存空间的最小分配单位，一个程序的一个页面可以存放在任意一个物理页面里。

　　（1）解决空间浪费碎片化问题

　　由于将虚拟内存空间和物理内存空间按照某种规定的大小进行分配，这里我们称之为页（Page），然后按照页进行内存分配，也就克服了外部碎片的问题。

　　（2）解决程序大小受限问题

　　程序增长有限是因为一个程序需要全部加载到内存才能运行，因此解决的办法就是使得一个程序无须全部加载就可以运行。使用分页也可以解决这个问题，只需将当前需要的页面放在内存里，其他暂时不用的页面放在磁盘上，这样一个程序同时占用内存和磁盘，其增长空间就大大增加了。而且，分页之后，如果一个程序需要更多的空间，给其分配一个新页即可（而无需将程序倒出倒进从而提高空间增长效率）。

1.2 虚拟地址的构成与地址翻译

　　（1）虚拟地址的构成

　　在分页系统下，一个程序发出的虚拟地址由两部分组成：页面号和页内偏移值，如下图所示：

　　例如，对于32位寻址的系统，如果页面大小为4KB，则页面号占20位，页内偏移值占12位。

　　（2）地址翻译：虚拟地址→物理地址

　　分页系统的核心是页面的翻译，即从虚拟页面到物理页面的映射（Mapping）。该翻译过程如下伪代码所示：

if(虚拟页面非法、不在内存中或被保护)
{
    陷入到操作系统错误服务程序
}
else
{
    将虚拟页面号转换为物理页面号
    根据物理页面号产生最终物理地址
}

　　而这个翻译过程由内存管理单元（MMU）完成，MMU接收CPU发出的虚拟地址，将其翻译为物理地址后发送给内存。内存管理单元按照该物理地址进行相应访问后读出或写入相关数据，如下图所示：

　　那么，这个翻译是怎么实现的呢？答案是查页表，对于每个程序，内存管理单元MMU都为其保存一个页表，该页表中存放的是虚拟页面到物理页面的映射。每当为一个虚拟页面寻找到一个物理页面之后，就在页表里增加一条记录来保留该映射关系。当然，随着虚拟页面进出物理内存，页表的内容也会不断更新变化。

1.3 页表

　　页表的根本功能是提供从虚拟页面到物理页面的映射。因此，页表的记录条数与虚拟页面数相同。此外，内存管理单元依赖于页表来进行一切与页面有关的管理活动，这些活动包括判断某一页面号是否在内存里，页面是否受到保护，页面是否非法空间等等。

　　页表的一个记录所包括的内容如下图所示：

　　由于页表的特殊地位，决定了它是由硬件直接提供支持，即页表是一个硬件数据结构。

1.4 分页系统的优缺点

　　优点：

　　（1）分页系统不会产生外部碎片，一个进程占用的内存空间可以不是连续的，并且一个进程的虚拟页面在不需要的时候可以放在磁盘中。

　　（2）分页系统可以共享小的地址，即页面共享。只需要在对应给定页面的页表项里做一个相关的记录即可。

　　缺点：页表很大，占用了大量的内存空间。

1.5 缺页中断处理

　　在分页系统中，一个虚拟页面既有可能在物理内存，也有可能保存在磁盘上。如果CPU发出的虚拟地址对应的页面不在物理内存，就将产生一个缺页中断，而缺页中断服务程序负责将需要的虚拟页面找到并加载到内存。缺页中断的处理步骤如下，省略了中间很多的步骤，只保留最核心的几个步骤：

二、页面置换算法

　　如果发生了缺页中断，就需要从磁盘上将需要的页面调入内存。如果内存没有多余的空间，就需要在现有的页面中选择一个页面进行替换。使用不同的页面置换算法，页面更换的顺序也会各不相同。

2.1 页面置换的目标

2.2 随机更换算法

2.3 先进先出算法

2.4 第二次机会算法

2.5 时钟算法

2.6 最优更换算法

2.7 NRU（最近未被使用）算法

2.8 LRU（最近最少使用）算法

2.9 工作集与工作集时钟算法

参考资料

邹恒明，《操作系统之哲学原理》，机械工业出版社

操作系统核心原理-5.内存管理（下）：分页内存管理

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原文地址：http://www.cnblogs.com/edisonchou/p/5094066.html