作業系統中的多級分頁

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簡介

多級分頁是一種記憶體管理方法，應用於控制平臺中的虛擬記憶體。計算機系統中的虛擬記憶體概念意味著利用額外的 RAM 作為主記憶體的補充。分頁是一種記憶體管理方法，它將記憶體分解成固定大小的塊，稱為幀，並將邏輯儲存分解成固定大小的部分，稱為頁。多級分頁透過在多級頁表中應用基本分頁方法來擴充套件。

在多級分頁系統中，邏輯地址被分成多個部分。每個部分索引頁面表的不同部分。例如，一個 32 位處理器的邏輯地址可以分成三個部分：前十位索引一級頁表，接下來的十位索引二級頁表，最後十二位索引頁內偏移量。

關鍵點

在每個頁表中，頁表條目 (PTE) 將邏輯頁對映到物理幀。PTE 通常包含物理幀號、保護資訊和其他控制位。

當應用程式與計算機的虛擬記憶體空間互動時，作業系統使用頁表將虛擬地址轉換為物理地址。如果在頁表中找不到特定頁表條目，則 Linux 作業系統會生成一個頁面錯誤，並將所需數量的頁從輔助儲存載入到物理記憶體中。

用例

虛擬環境中的記憶體管理

在虛擬化環境中，多臺虛擬機器 (VM) 在一臺物理伺服器上執行，多級分頁用於有效地管理記憶體資源。每個 VM 可以擁有自己的頁表集，允許虛擬機器管理程式有效地控制和分配記憶體資源。

具有高記憶體需求的大型應用程式

對於需要大量記憶體的大型應用程式，多級分頁非常有用。透過將頁表分成多個級別，可以減少記憶體開銷，並且系統可以有效地處理大量邏輯地址。

記憶體保護和安全

多級分頁透過控制對特定記憶體區域的訪問來提供記憶體保護和安全功能。頁表條目中的訪問位可以用來限制程序訪問未授權的記憶體區域，從而增強系統的安全性。

高效的地址轉換

多級分頁透過分階段執行轉換來實現高效的地址轉換。這種方法可以更快、更有效地進行地址解析，從而減少記憶體訪問所需的時間。

作業系統中多級分頁的組成部分

頁表

頁表是作業系統用來對映邏輯頁到物理幀的資料結構。在多級分頁中，頁表被組織成多個級別。每個級別包含頁表條目 (PTE)，這些條目將邏輯頁對映到物理幀。

頁表條目 (PTE)

頁表條目 (PTE) 是頁表中的一種資料結構，用於儲存每個邏輯頁的資訊。它包含邏輯頁號和物理幀號之間的對映，以及其他控制位，例如有效性、保護和其他標誌。

頁面錯誤

當處理器嘗試訪問當前未對映到頁表中的頁面時，就會發生頁面錯誤。在多級分頁中，如果頁表條目不存在於頁表中，則作業系統會處理頁面錯誤，並將所需的頁面從輔助儲存載入到物理記憶體中。

虛擬地址

虛擬地址是由程序或程式生成的地址，它引用虛擬記憶體空間中的一個位置。在多級分頁中，虛擬地址透過頁錶轉換為物理地址，以訪問相應的物理記憶體位置。

物理地址

物理地址是對應於物理記憶體 (RAM) 中位置的實際記憶體地址。在多級分頁中，虛擬地址使用頁錶轉換為物理地址，允許處理器訪問實際的記憶體位置。

記憶體管理單元 (MMU)

記憶體管理單元是負責將虛擬地址轉換為物理地址的硬體元件。在多級分頁中，MMU 使用頁表執行地址轉換並促進記憶體訪問。

頁表級別

在多級分頁中，頁表被分成多個級別，每個級別包含頁表條目的一部分。級別的數量和每個級別的長度可能因系統的要求而異。這些級別允許透過減少與儲存頁表相關的記憶體開銷來實現有效的記憶體管理。

碎片

碎片是指由於分配和釋放頁面而導致記憶體被分成小的、不連續的塊。在多級分頁中，碎片可能發生在虛擬記憶體和物理記憶體級別，這會導致記憶體利用率低下和潛在的效能下降。

記憶體保護

多級分頁透過頁表條目中的訪問控制位提供記憶體保護機制。作業系統可以透過在頁表條目中設定適當的許可權來控制對特定記憶體區域的訪問，從而增強系統的安全性和完整性。

地址轉換

地址轉換是使用頁表將虛擬地址轉換為物理地址的過程。在多級分頁中，地址轉換分多個階段進行，頁表的每個級別都提供地址轉換的一部分，直到獲得最終的物理地址。

示例

以下 C 程式演示瞭如何使用兩級頁表結構將虛擬地址轉換為物理地址。它初始化頁表，模擬虛擬記憶體訪問，並呼叫 translateVirtualToPhysicalAddress 函式。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

#define LEVEL1_ENTRIES 1024
#define LEVEL2_ENTRIES 1024
#define PAGE_SIZE 4096

typedef struct {
   int valid;
   int frame;
   int protection;
} PageTableEntry;

PageTableEntry pageTableLevel1[LEVEL1_ENTRIES];
PageTableEntry pageTableLevel2[LEVEL1_ENTRIES][LEVEL2_ENTRIES];

void initializePageTables() {
   int i, j;
   for (i = 0; i < LEVEL1_ENTRIES; i++) {
      pageTableLevel1[i].valid = 0;
      for (j = 0; j < LEVEL2_ENTRIES; j++) {
         pageTableLevel2[i][j].valid = 0;
      }
   }
}

int translateVirtualToPhysicalAddress(int virtualAddress) {
   int level1Index = (virtualAddress >> 22) & 0x3FF;
   int level2Index = (virtualAddress >> 12) & 0x3FF;
   int offset = virtualAddress & 0xFFF;

   if (pageTableLevel1[level1Index].valid == 0) {
      // Page table level 1 entry not present, handle page fault
      printf("Page Fault: Level 1 Page Table Entry not present
");
      return -1;
   }

   if (pageTableLevel2[level1Index][level2Index].valid == 0) {
      // Page table level 2 entry not present, handle page fault
      printf("Page Fault: Level 2 Page Table Entry not present
");
      return -1;
   }

   int frameNumber = pageTableLevel2[level1Index][level2Index].frame;
   int physicalAddress = (frameNumber << 12) | offset;

   return physicalAddress;
}

int main() {
   initializePageTables();

   // Simulating a virtual memory access
   int virtualAddress = 0xABCD1234;
   int physicalAddress = translateVirtualToPhysicalAddress(virtualAddress);

   if (physicalAddress != -1) {
      printf("Virtual Address: 0x%X
", virtualAddress);
      printf("Physical Address: 0x%X
", physicalAddress);
   }

   return 0;
}

輸入

輸入是程式碼中 virtualAddress 變量表示的虛擬地址。

輸出

輸出是對應於給定虛擬地址的轉換後的物理地址，由程式碼中的 physicalAddress 變量表示。

預期輸出

Virtual Address: 0xABCD1234
Physical Address: 0x7D

結論

多級分頁是一種記憶體管理方法，由軟體系統用來有效地處理虛擬記憶體。它透過使用多級頁表擴充套件了基本分頁方法，從而降低了頁表記憶體消耗，同時提供了記憶體分配的靈活性。多級分頁還允許有效地處理記憶體，包括地址轉換，並提供對未授權訪問的記憶體保護。

總的來說，多級分頁是一種強大的記憶體管理方法，通常用於在現代作業系統中處理虛擬記憶體。它提供了比傳統記憶體管理方法更多的優勢，並且是現代計算環境所必需的，這些環境需要大量的記憶體。