当前位置：首页 > 行业动态 > 正文

分页存储管理结构c

admin
行业动态
2025-05-03
12

分页存储管理将内存划分为等大页框，逻辑地址分为页号与偏移，通过页表映射物理页，消除外碎片，提升内存利用率，但存在内碎片及页

分页存储管理结构详解

分页存储管理的基本概念

分页存储管理是操作系统内存管理的核心机制之一,通过将进程的逻辑地址空间划分为固定大小的页（Page），并将物理内存划分为相同大小的页框（Frame），实现逻辑地址到物理地址的映射，这种机制解决了连续内存分配的碎片问题，提升了内存利用率。

核心特点：

固定大小的页和页框：通常为4KB、2MB或更大（现代系统支持巨大页）。
逻辑地址分解：逻辑地址分为页号（Page Number）和页内偏移（Offset）。
页表映射：通过页表（Page Table）建立页号到页框的映射关系。

逻辑地址到物理地址的转换

分页系统中,逻辑地址的转换需要以下步骤：

分解逻辑地址：
- 逻辑地址 = 页号（高位） + 页内偏移（低位）。
- 逻辑地址 0x0040（假设页大小为16字节）：
  - 页号 = 0x0040 / 16 = 0x0004（第4页）
  - 偏移 = 0x0040 % 16 = 0x0（页内第0字节）
查询页表：
- 页表是一个数组,索引为页号，值为对应的页框号。
- 页表项 PT[4] = 0x05，表示第4页映射到第5号页框。
生成物理地址：
- 物理地址 = 页框号 × 页大小 + 偏移。
- 页框号 0x05，偏移 0x0，则物理地址为 0x0500。

示例表格：
| 逻辑地址 | 页号 | 偏移 | 页框号 | 物理地址 |
|———-|——|——|——–|———-|
| 0x0040 | 4 | 0x0 | 0x05 | 0x0500 |
| 0x006A | 4 | 0xA | 0x05 | 0x050A |

分页存储管理结构c 第1张

页表结构与实现

页表是分页系统的核心数据结构,其设计直接影响内存访问效率。

基本页表：
- 每个进程维护一个独立页表,包含所有页的映射信息。
- 缺点：页表占用大量内存（32位系统需要4MB页表）。
多级页表（以二级为例）：
- 将页表分为外页表和内页表，外页表存储内页表的物理地址。
- 优点：减少内存占用，支持稀疏地址空间。
- 示例：
  - 逻辑地址分解为：外页号 + 内页号 + 偏移。
  - 外页表项指向内页表,内页表项指向页框。
哈希页表：
- 使用哈希表替代数组,减少内存浪费。
- 适用场景：稀疏地址空间或超大页系统。

页面置换算法（C语言实现）

当物理内存不足时,需将内存中的页交换到磁盘（即缺页中断），并选择一个页替换出去，以下是常见算法的C语言实现思路：

FIFO（先进先出）：

int pageQueue[MAX_FRAMES]; // 队列存储页框号
int queueHead = 0;
void replacePageFIFO(int newPage) {
    int oldPage = pageQueue[queueHead];
    pageQueue[queueHead] = newPage;
    queueHead = (queueHead + 1) % MAX_FRAMES;
    // 将oldPage对应的页写回磁盘
}

LRU（最近最少使用）：

int pageAccessTime[MAX_FRAMES]; // 记录访问时间戳
void replacePageLRU(int newPage) {
    int oldestPage = 0;
    for (int i = 1; i < MAX_FRAMES; i++) {
        if (pageAccessTime[i] < pageAccessTime[oldestPage]) {
            oldestPage = i;
        }
    }
    // 替换oldestPage，更新新页的时间戳
}

分页存储的C语言模拟实现

以下是一个简单的分页系统模拟框架：

#define PAGE_SIZE 4096 // 4KB
#define NUM_FRAMES 100 // 物理页框数
#define PAGE_TABLE_SIZE 1024 // 逻辑页数
typedef struct {
    int frameNumber; // 页框号
    int valid;       // 有效位（标记是否在内存中）
} PageTableEntry;
PageTableEntry pageTable[PAGE_TABLE_SIZE];
int memoryFrames[NUM_FRAMES]; // 存储当前加载的页框
int nextFreeFrame = 0;        // 下一个空闲页框
// 逻辑地址转换函数
int translateAddress(unsigned int logicalAddress) {
    int pageNum = logicalAddress / PAGE_SIZE;
    int offset = logicalAddress % PAGE_SIZE;
    if (pageNum >= PAGE_TABLE_SIZE || !pageTable[pageNum].valid) {
        // 缺页中断处理（如调用页面置换算法）
        return -1; // 错误标志
    }
    int frameNum = pageTable[pageNum].frameNumber;
    return frameNum  PAGE_SIZE + offset; // 物理地址
}