內(nèi)存分頁(yè)

分段的好處是能產(chǎn)生連續(xù)的內(nèi)存空間，但是會(huì)出現(xiàn)大量?jī)?nèi)存碎片與內(nèi)存交換效率低的問(wèn)題

先思考一下怎么解決這兩個(gè)問(wèn)題，內(nèi)存碎片是由多個(gè)不連續(xù)的小物理內(nèi)存空間造成，如果把這些不連續(xù)的小物理內(nèi)存空間組合起來(lái)，是不是解決了這個(gè)問(wèn)題？同樣的，內(nèi)存交換的時(shí)候我們保證交換的數(shù)據(jù)小，是不是能提高內(nèi)存交換的效率？

這個(gè)辦法就是內(nèi)存分頁(yè)，分頁(yè)是把整個(gè)虛擬與物理空間切成一段段固定尺寸的大小，這樣一個(gè)連續(xù)并且尺寸固定的空間，我們叫頁(yè)，在 Linux 下，每一頁(yè)的大小為4KB。（虛擬空間是指存儲(chǔ)一套虛擬地址的空間）

虛擬地址與物理地址是通過(guò)頁(yè)表來(lái)映射，虛擬空間內(nèi)的虛擬地址一定是連續(xù)的，物理地址不一定，但可以通過(guò)連續(xù)的虛擬地址把多個(gè)不連續(xù)的物理內(nèi)存組合使用。

而當(dāng)進(jìn)程訪問(wèn)的虛擬地址在頁(yè)表中查不到時(shí)，系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)缺頁(yè)異常，進(jìn)入系統(tǒng)內(nèi)核空間分配物理內(nèi)存、更新進(jìn)程頁(yè)表，最后再返回用戶空間，恢復(fù)進(jìn)程的運(yùn)行。

分頁(yè)方式是如何解決內(nèi)存碎片與內(nèi)存交換效率慢的問(wèn)題呢？?jī)?nèi)存碎片的解決：

因?yàn)槭褂脙?nèi)存的單位變成固定大小的頁(yè)，所以每個(gè)程序的虛擬空間維護(hù)的也是連續(xù)的頁(yè)（虛擬地址），通過(guò)頁(yè)表再映射到物理內(nèi)存頁(yè)，雖然映射的物理內(nèi)存頁(yè)不連續(xù)，但是虛擬空間是連續(xù)的，可以讓它們組合起來(lái)使用，但這也只能解決外部?jī)?nèi)存碎片問(wèn)題，沒(méi)有解決內(nèi)部?jī)?nèi)碎片問(wèn)題，因?yàn)槊宽?yè)都有固定大小，可能某一頁(yè)只使用了部分，依然會(huì)造成一些浪費(fèi)。

內(nèi)存交換效率慢的解決：

之前說(shuō)過(guò)，減少交換數(shù)據(jù)的大小，可以提高內(nèi)存交換效率，分頁(yè)方式是這樣解決的，如果內(nèi)存空間不夠時(shí)，操作系統(tǒng)會(huì)把其他正在運(yùn)行的進(jìn)程中的「最近沒(méi)被使用」的內(nèi)存頁(yè)釋放掉，也就是加載到硬盤(pán)，稱(chēng)為換出，一旦需要的時(shí)候再加載進(jìn)來(lái)，稱(chēng)為換入。所以一次性寫(xiě)入硬盤(pán)的也只有一個(gè)頁(yè)或幾個(gè)頁(yè)，內(nèi)存的交換效率自然就提升了。

分頁(yè)方式使加載程序的時(shí)候，不再需要一次性都把程序加載到物理內(nèi)存中。完全可以在進(jìn)行虛擬內(nèi)存和物理內(nèi)存的頁(yè)之間的映射之后，并不真的把頁(yè)加載到物理內(nèi)存里，而是只有在程序運(yùn)行中，需要用到對(duì)應(yīng)虛擬內(nèi)存頁(yè)里面的指令和數(shù)據(jù)時(shí)，再加載到物理內(nèi)存里面去（用大白話說(shuō)，當(dāng)你需要用到的時(shí)候才會(huì)去使用對(duì)應(yīng)的物理內(nèi)存）。

在內(nèi)存分頁(yè)方式下，虛擬地址和物理地址是如何映射的？

在分頁(yè)機(jī)制下，每個(gè)進(jìn)程都會(huì)分配一個(gè)頁(yè)表，虛擬地址會(huì)分為兩部分，頁(yè)號(hào)和頁(yè)內(nèi)偏移量，頁(yè)號(hào)作為頁(yè)表的索引，頁(yè)表包含物理頁(yè)每頁(yè)所在物理內(nèi)存的基地址，頁(yè)內(nèi)偏移量+物理內(nèi)存基地址就組成了物理內(nèi)存地址，如下圖所示

就是下面這幾步

頁(yè)號(hào)找到頁(yè)表中的頁(yè)項(xiàng)

獲取頁(yè)項(xiàng)的物理頁(yè)號(hào)基地址

偏移量+物理頁(yè)號(hào)基地址計(jì)算出物理內(nèi)存地址