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分页存储管理算法程序

分页存储管理算法程序通过页表实现逻辑地址到物理地址的映射，处理缺页中断，采用FIFO/LRU等策略进行页面置换，动态分配内存资源，保障

分页存储管理算法程序详解

分页存储管理基础原理

分页存储管理是操作系统将物理内存划分为固定大小的块（称为页框），并将进程的逻辑地址空间划分为相同大小的页，通过页表建立逻辑页与物理页框的映射关系，实现地址转换，核心组件包括：

  • 页表：记录逻辑页号到物理页框号的映射
  • 页框分配表：记录物理内存中已分配页框的状态
  • 缺页中断机制：当访问的页面不在内存时触发页面置换

核心数据结构设计

数据结构 功能描述
页表项结构体 typedef struct { int valid; int frame_number; int access_bit; }
页框位图 用二进制位表示页框占用状态（0=空闲，1=已分配）
LRU计数器数组 记录每个页框的最近访问时间戳，用于实现LRU置换算法
FIFO队列 维护页框进入内存的顺序，用于FIFO置换算法

典型页表结构示例：

#define PAGE_SIZE 4096
#define FRAME_SIZE PAGE_SIZE
#define TOTAL_FRAMES 1024
typedef struct {
    int valid : 1;          // 有效位
    int frame_number;       // 物理页框号
    int referenced : 1;     // 访问位
    unsigned long timestamp; // LRU时间戳
} PageTableEntry;
PageTableEntry page_table[1024]; // 假设逻辑页数为1024

关键算法实现

地址转换算法

int virtual_to_physical(unsigned int virtual_addr) {
    int page_number = virtual_addr / PAGE_SIZE;
    int offset = virtual_addr % PAGE_SIZE;
    if(page_table[page_number].valid) {
        int frame_number = page_table[page_number].frame_number;
        page_table[page_number].referenced = 1; // 标记访问位
        page_table[page_number].timestamp = get_current_time(); // 更新时间戳
        return frame_number  PAGE_SIZE + offset;
    } else {
        trigger_page_fault(page_number); // 触发缺页中断
        return -1; // 不会执行到此
    }
}

页面置换算法比较

算法类型 实现复杂度 平均缺页率 适用场景
FIFO O(1) 较高 简单场景，内存压力较小
LRU O(n) 较低 大多数通用场景
LFU O(n) 中等 访问频率差异明显的场景
CLOCK O(1) 中等 需要快速实现的近似LRU场景

LRU算法实现示例

int find_LRU_page() {
    int oldest_frame = 0;
    unsigned long min_time = page_table[0].timestamp;
    for(int i=1; i<TOTAL_FRAMES; i++) {
        if(page_table[i].timestamp < min_time) {
            min_time = page_table[i].timestamp;
            oldest_frame = i;
        }
    }
    return oldest_frame;
}

程序实现流程

  1. 初始化阶段：

    分页存储管理算法程序 第1张

    • 创建页表并初始化所有有效位为0
    • 初始化页框位图（全部置为0）
    • 设置时钟中断定时器（用于时间戳更新）

  2. 内存访问处理：

    void access_memory(unsigned int address) {
    int physical_addr = virtual_to_physical(address);
    if(physical_addr != -1) {
        // 正常访问物理内存
        read_write_memory(physical_addr);
    }
    // 缺页处理在中断服务程序中完成
}

  3. 缺页中断处理：

    void page_fault_handler(int faulting_page) {
    int victim_frame = select_victim_frame(); // 选择置换页框
    if(page_table[victim_frame].valid) {
        write_back_modified_page(victim_frame); // 写回修改过的页面
    }
    load_new_page(faulting_page, victim_frame); // 加载新页面
    update_page_table(faulting_page, victim_frame); // 更新页表
}

优化策略

  1. 双链表优化LRU：
    使用双向链表维护页框访问顺序，将每次访问的页框移动到链表头部，淘汰时直接取链表尾部，时间复杂度降为O(1)。

  2. 页表缓存：
    使用TLB（快表）缓存最近使用的页表项，减少内存访问次数，典型配置：

    #define TLB_SIZE 64
typedef struct {
    int page_number;
    int frame_number;
} TLBEntry;
TLBEntry tlb_cache[TLB_SIZE];

  3. 预取策略：
    在发生缺页时，不仅加载请求的页面，同时预取相邻页面：

    void prefetch_pages(int current_page) {
    for(int i=1; i<=PREFETCH_DISTANCE; i++) {
        int next_page = current_page + i;
        if(next_page < total_pages && !page_table[next_page].valid) {
            load_page_into_memory(next_page);
        }
    }
}

完整程序框架示例

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <time.h>
#define PAGE_SIZE 4096
#define TOTAL_FRAMES 1024
#define TOTAL_PAGES 2048
typedef struct {
    int valid;
    int frame_number;
    int referenced;
    unsigned long timestamp;
} PageTableEntry;
PageTableEntry page_table[TOTAL_PAGES];
char memory[TOTAL_FRAMES][PAGE_SIZE]; // 模拟物理内存
int page_fault_count = 0;
// LRU辅助函数
int get_current_time() {
    return (unsigned long)time(NULL);
}
int find_free_frame() {
    for(int i=0; i<TOTAL_FRAMES; i++) {
        if(!page_table[i].valid) return i;
    }
    // 没有空闲帧时执行页面置换
    return find_LRU_page();
}
int find_LRU_page() {
    int lru_frame = 0;
    unsigned long oldest_time = page_table[0].timestamp;
    for(int i=1; i<TOTAL_FRAMES; i++) {
        if(page_table[i].timestamp < oldest_time) {
            oldest_time = page_table[i].timestamp;
            lru_frame = i;
        }
    }
    return lru_frame;
}
void load_page(int page_number, int frame_number) {
    // 模拟从磁盘加载页面
    memcpy(memory[frame_number], disk[page_number], PAGE_SIZE);
    page_table[page_number].valid = 1;
    page_table[page_number].frame_number = frame_number;
    page_table[page_number].timestamp = get_current_time();
}
void access_page(int page_number) {
    if(!page_table[page_number].valid) {
        // 缺页处理
        page_fault_count++;
        int frame_number = find_free_frame();
        load_page(page_number, frame_number);
    } else {
        // 更新访问信息
        page_table[page_number].referenced = 1;
        page_table[page_number].timestamp = get_current_time();
    }
}
int main() {
    // 初始化页表
    for(int i=0; i<TOTAL_PAGES; i++) {
        page_table[i].valid = 0;
        page_table[i].frame_number = -1;
    }
    // 模拟内存访问序列
    int access_sequence[] = {0, 4, 8, 12, 0, 4, 16, 20};
    int num_accesses = sizeof(access_sequence)/sizeof(int);
    for(int i=0; i<num_accesses; i++) {
        access_page(access_sequence[i]);
    }
    printf("Total page faults: %d
", page_fault_count);
    return 0;
}

FAQs常见问题解答

Q1：分页系统中为什么需要页表？可以直接用物理地址吗？
A1：页表的核心作用是实现逻辑地址到物理地址的映射，直接使用物理地址会导致：

  • 程序必须使用连续的物理内存（内存碎片问题）
  • 无法实现内存保护（不同进程的地址空间会重叠）
  • 难以实现虚拟内存（磁盘交换机制）
    页表通过间接映射，使得进程可以使用非连续的物理内存，同时支持内存保护和虚拟内存扩展。

Q2：LRU算法的时间复杂度较高，有哪些实际优化方案？
A2：常见优化方案包括：

  1. 近似LRU：使用CLOCK算法或二级时钟算法，通过少量寄存器维护访问顺序，将复杂度降至O(1)
  2. 栈式替换：维护一个按访问时间排序的栈结构，新访问的页放到栈顶，淘汰时弹出栈底
  3. 混合策略：前N次访问使用FIFO，后续改用LRU，平衡性能与实现复杂度
  4. 硬件支持：使用专用的LRU计数器寄存器，由硬件自动维护访问顺序
页面置换算法
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