操作系统（14）请求分页

前言

操作系统中的请求分页，也称为页式虚拟存储管理，是建立在基本分页基础上，为了支持虚拟存储器功能而增加了请求调页功能和页面置换功能的一种内存管理技术。

一、基本概念

分页：将进程的逻辑地址空间分成若干个大小相等的页，同时也将物理内存空间分成若干个大小相等的页框（或帧）。每个页和页框都有一个唯一的编号，称为页号和框号。
页表：页表是操作系统用于记录进程的逻辑页号与物理页框号之间映射关系的表。在请求分页系统中，页表项通常还包含其他信息，如状态位、访问字段、修改位和外存地址等。

二、工作原理

地址变换：

当进程访问某个逻辑地址时，系统首先将该逻辑地址分解为页号和页内偏移量。
然后，根据页号查找页表，获得该页的描述信息。
如果该页已经在内存中（即状态位为0），则直接利用页框号和页内偏移量计算出物理地址，并进行访问。
如果该页不在内存中（即状态位为1），则产生缺页中断，请求操作系统将该页调入内存。

缺页中断处理：

当产生缺页中断时，操作系统会暂停当前进程的执行，并检查内存中是否有空闲页框。
如果有空闲页框，则分配一个页框给该页，并将其从外存调入内存。
如果没有空闲页框，则根据某种页面置换算法选择一个页面将其置换出内存，然后将所需页面调入内存。
更新页表项中的相关信息，如页框号、状态位等。
最后，恢复当前进程的执行，并继续访问该页。

页面置换算法：

页面置换算法用于在内存空间不足时选择哪个页面被置换出内存。常用的页面置换算法包括FIFO、LRU、CLOCK等。
FIFO算法按照页面进入内存的先后顺序进行置换。
LRU算法选择最近最少被使用的页面进行置换。
CLOCK算法则结合了FIFO和LRU的特点，通过环形链表和访问位来实现页面的置换。

三、优点与缺点

优点：

有效地解决了外部碎片问题，提高了内存的利用率。
提供了虚拟存储器，使得进程可以访问比物理内存更大的地址空间。
提高了多道程序的并发运行能力。

缺点：

增加了硬件成本，如需要额外的硬件支持地址转换机构、缺页中断机构和页面置换算法等。
可能因逻辑地址空间过大或多道程序的个数过多而造成系统抖动现象。
虽然消除了外部碎片，但进程的最后一页还存在内部碎片问题。

四、实现与应用

实现方式：请求分页系统通常通过硬件和软件的结合来实现。硬件方面需要提供页表基址寄存器、地址转换机构、缺页中断机构等；软件方面则需要实现页面置换算法、缺页中断处理程序等。
应用领域：请求分页系统广泛应用于各种操作系统中，如Windows、Linux等。它使得操作系统能够更好地管理内存资源，提高系统的性能和稳定性。同时，在数据库系统、云计算等领域也有广泛的应用。