C 页式存储管理

页式存储管理是操作系统中的一种重要内存管理方式，它将进程的逻辑地址空间划分为固定大小的页面，并将这些页面映射到物理内存中的页框，以下是对C语言实现页式存储管理的详细解释：

一、基本原理

1、分页机制：将进程的逻辑地址空间等分成若干个大小相等的片，称为页面或页，相应地，也将物理内存空间分成与页面相同大小的若干个存储块，称为页框或页块。

2、地址变换：通过页表来记录每个页面与物理页框之间的对应关系，当进程访问某个逻辑地址时，操作系统首先根据页号在页表中查找对应的物理页框号，然后将逻辑页内偏移量与物理页框号结合，形成最终的物理地址。

3、内存分配与回收：当有进程需要内存时，操作系统为其分配一定数量的页面，当进程释放内存时，相应的页面也被回收并放回可用页面池中。

二、数据结构设计

1、页表项：通常使用结构体来表示，包含页面号、物理页框号、有效位、修改位等信息。

typedef struct { int page_number; int frame_number; int valid; int modified; } PageTableEntry;

2、页表：可以使用数组或链表来实现，数组实现简单直接，但需要预先分配固定大小的内存空间；链表则更加灵活，可以根据需要动态分配和释放内存。

PageTableEntry page_table[MAX_PAGES];（数组方式）

typedef struct PageTableNode { PageTableEntry entry; struct PageTableNode *next; } PageTableNode;（链表方式）

三、主要操作函数

1、初始化页表：创建并初始化页表，将所有页表项的有效位设置为0（表示页面未分配）。

void init_page_table() { for (int i = 0; i < MAX_PAGES; i++) { page_table[i].valid = 0; } }

2、分配页面：为进程分配空闲页面，并在页表中记录相应的映射关系，如果没有足够的空闲页面，则需要触发页面置换算法。

int allocate_page(int process_id, int num_pages) { for (int i = 0; i < MAX_PAGES; i++) { if (!page_table[i].valid) { page_table[i].process_id = process_id; page_table[i].valid = 1; // 更新其他相关信息 return i; // 返回分配的页面号 } } return -1; // 分配失败 }

3、访问页面：根据逻辑地址计算页面号和页内偏移量，然后查找页表以获取物理页框号，并最终形成物理地址。

int access_page(int logical_address) { int page_number = logical_address / PAGE_SIZE; int offset = logical_address % PAGE_SIZE; if (page_table[page_number].valid) { return page_table[page_number].frame_number * PAGE_SIZE + offset; } else { // 处理缺页中断 return -1; } }

4、释放页面：当进程不再需要某个页面时，将其标记为无效并回收相应的物理页框。

void free_page(int page_number) { page_table[page_number].valid = 0; // 清空其他相关信息 }

四、页面置换算法

1、FIFO（先进先出）算法：选择最早进入内存的页面进行置换，这可以通过维护一个页面进入内存的顺序队列来实现。

void fifo_replace(int page_number) { static int queue[MAX_PAGES]; static int front = 0, rear = -1; int found = 0; for (int i = 0; i <= rear; i++) { if (queue[i] == page_number) { found = 1; break; } } if (!found) { rear++; queue[rear] = page_number; if (rear front >= MAX_FRAMES) { front++; } } }

2、LRU（最近最少使用）算法：选择最近最长时间未被访问的页面进行置换，这通常需要维护一个访问字段来记录每个页面的最后访问时间。

void lru_replace(int page_number) { static int time[MAX_PAGES]; static int least_recently_used = 0; time[page_number] = current_time(); for (int i = 0; i < MAX_PAGES; i++) { if (time[i] < time[least_recently_used]) { least_recently_used = i; } } if (least_recently_used != page_number) { // 置换页面 least_recently_used = page_number; time[least_recently_used] = current_time(); } }

3、OPT（最佳置换算法）：选择未来最长时间内不被访问的页面进行置换，这是一种理论上的最优算法，但在实际应用中难以实现，因为它需要知道未来的请求序列。

// OPT算法通常作为理论分析的基础，实际代码实现较为复杂且不常用，此处省略具体实现。

五、示例代码

以下是一个简化的C语言实现页式存储管理的示例代码框架：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#define MAX_PAGES 100
#define PAGE_SIZE 4096
#define MAX_FRAMES 10
typedef struct {
    int page_number;
    int frame_number;
    int valid;
    int modified;
} PageTableEntry;
PageTableEntry page_table[MAX_PAGES];
void init_page_table() {
    for (int i = 0; i < MAX_PAGES; i++) {
        page_table[i].valid = 0;
    }
}
int allocate_page(int process_id, int num_pages) {
    for (int i = 0; i < MAX_PAGES; i++) {
        if (!page_table[i].valid) {
            page_table[i].process_id = process_id;
            page_table[i].valid = 1;
            // 假设物理页框号等于页面号（简化处理）
            page_table[i].frame_number = i;
            return i;
        }
    }
    return -1;
}
int access_page(int logical_address) {
    int page_number = logical_address / PAGE_SIZE;
    int offset = logical_address % PAGE_SIZE;
    if (page_table[page_number].valid) {
        return page_table[page_number].frame_number * PAGE_SIZE + offset;
    } else {
        printf("Page fault!
");
        return -1;
    }
}
void free_page(int page_number) {
    page_table[page_number].valid = 0;
    // 清空其他相关信息
}
int main() {
    init_page_table();
    int page = allocate_page(1, 1);
    if (page != -1) {
        printf("Allocated page: %d
", page);
    } else {
        printf("Allocation failed!
");
    }
    int physical_address = access_page(page * PAGE_SIZE + 100);
    if (physical_address != -1) {
        printf("Physical address: %d
", physical_address);
    } else {
        printf("Access failed!
");
    }
    free_page(page);
    return 0;
}

六、FAQs

1、问：什么是页式存储管理中页面的大小通常是如何确定的？

答：页面的大小通常是由操作系统或硬件设计决定的，常见的页面大小有4KB、8KB等，较大的页面可以减少页表的长度和管理开销，但也可能导致内存浪费；较小的页面则更灵活，但会增加页表的长度和管理成本，在实际系统中，页面大小需要在灵活性和效率之间进行权衡。

2、问：在多道程序设计中，如何处理多个进程共享同一物理页框的情况？

答：在多道程序设计中，允许多个进程共享同一物理页框可以提高内存利用率，这通常通过在页表中增加共享标志来实现，当一个进程试图访问已经被另一个进程映射到同一物理页框的页面时，操作系统会检查该页面是否可共享，如果是可共享的，则允许访问；否则，触发页面错误（如段错误），并加载正确的页面，这种机制可以有效地支持多进程间的资源共享和内存保护。

小编有话说

页式存储管理是现代操作系统中不可或缺的一部分，它通过分页机制实现了对内存的高效利用和灵活管理，在C语言中模拟和实现页式存储管理不仅有助于深入理解其工作原理，还能提升编程能力和对操作系统底层机制的掌握，希望本文能为你提供有益的参考和帮助。