內存管理分頁技術
內存管理分頁技術，（簡稱：分頁）(Paging)是一種內存管理方案，是將進程以頁的形式從輔助內存中檢索到主存中的過程，不需要連續分配物理內存，將每個進程劃分為頁。分頁的主要思想是將主存的虛擬(邏輯)地址空間和真實(物理)地址空間劃分成容量和大小相等的頁，使所有地址都可以用頁號拼接頁內地址的形式表示。
在計算機操作系統中，連續分配的算法阻礙了存儲管理方案的設計，造成了大量的內存碎片，因此需要考慮非連續分配的算法，分頁管理就是其中最具代表性的一種。1959年，亞多拉斯系統被開發出來，使用分頁將虛擬地址映射到主存，并于1962年投入使用。1969年，IBM的研究人員證明了虛擬內存覆蓋系統比早期的手動系統工作得更好。在20世紀70年代，大型機和小型計算機通常使用虛擬內存。1982年Intel在80286處理器的保護模式下引入了虛擬內存，1985年80386出來的時候引入了分頁支持。
分頁存儲管理將內存空間分成若干大小相等、位置固定的小分區，每個小分區稱為一個存儲塊，依次編號。每個存儲塊的大小由不同的系統決定，一般是2的n次方。分頁提高了內存管理的效率，進而提高了系統性能和響應能力。但是在頁面存儲下，程序的模塊化較差，需要占用大量的存儲空間。
發展歷史
早期操作系統采用的連續分配管理模式，要求分配給進程的物理空間必須是連續的，這是產生大量碎片的主要原因，所以一直考慮非連續分配算法。在分頁技術出現之前，內存管理方案偶爾會使用覆蓋技術。它只需要將CPU當前需要的指令和數據保存在內存中，以維持計算機系統的運行。當需要其他指令、數據或程序段時，只需將它們加載到不再需要的指令所占用的內存空間中。
分頁管理是不連續分配管理中具有代表性的算法，它要求將物理內存空間劃分成固定大小的塊，分頁技術不會產生外部碎片。分頁技術的具體應用可以追溯到一個早期的重要系統Atlas，它是在1959年開發的，使用分頁將虛擬地址映射到主存，并于1962年投入使用。1969年，IBM的研究人員證明了虛擬內存覆蓋系統比早期的手動系統工作得更好。在20世紀70年代，大型機和小型計算機通常使用虛擬內存。1982年Intel在80286處理器的保護模式下引入了虛擬內存，1985年80386出來的時候引入了分頁支持。
隨著分頁技術的不斷成熟，它已經成為一種關鍵的內存管理技術，用于實現計算機操作系統中的虛擬內存管理方法，提供進程間的內存保護和隔離。后來隨著硬件技術的發展，Intel在1985年推出了Intel 80386微處理器，開啟了處理器內置分頁機制的時代。
為了降低分頁機制的缺頁率，提高虛擬內存的性能，相關技術人員開發了許多頁面替換算法，包括最優替換算法、先進先出替換算法、最近未使用替換算法等頁面替換算法。20世紀10年代，云計算開始出現。是計算服務的分發，虛擬化是云計算的基礎，通過制作虛擬鏡像，有助于共享系統資源。分頁作為一種內存管理技術，也應用于云計算，讀寫數據到硬盤。
工作原理
分頁的主要思想是將主存的虛擬(邏輯)地址空間和真實(物理)地址空間劃分成容量和大小相等的頁面，使所有地址都可以用頁號拼接頁內地址的形式表示，按頁分配主存的存儲管理方式稱為頁管理。
系統中通常有一個地址翻譯機制，將程序在地址空間中的邏輯地址翻譯成在內存空間中的物理地址，實現它們之間的重定位。當訪問和操作一個進程的邏輯地址時，地址翻譯機制自動將有效邏輯地址根據頁面大小分為兩部分:頁碼和頁內位移。邏輯地址除以頁面長度得到的商和余數分別是邏輯頁碼和頁內位移。
在分頁中，物理內存被劃分為固定大小的塊，稱為頁幀，其大小與進程使用的頁面大小相同。進程的邏輯地址空間也分為固定大小的塊，稱為頁面，其大小與頁框相同。當進程請求內存時，操作系統將為該進程分配一個或多個頁框，并將該進程的邏輯頁映射到物理頁框。邏輯頁面和物理頁面幀之間的映射由頁面表維護，內存管理單元使用該頁面表將邏輯地址轉換為物理地址。頁表將每個邏輯頁號映射到物理頁框號。
分頁技術提高了主存的利用率，有利于多程序運行，可以增加ram(隨機存取存儲器)或期望分頁的數量，提高RAM讀取的命中率來提高系統性能，還可以通過減少CPU等待從磁盤加載頁面的時間來提高性能。
頁表分類
多級頁面表：多級頁表可以去除頁表中的無效區域，對頁表進行索引。采用分頁存儲管理模式時，頁表會占用相當大的內存空間。因為很難找到足夠的內存空間來存儲頁表，所以也可以將頁表分成若干頁并進行編號，這樣就可以將每一頁離散地存儲在不同的物理塊中。為了管理這些頁表，需要建立另一個頁表，稱為外頁表，也就是頁表的索引表。外部頁表的每個頁表條目記錄頁表頁的物理塊號。
對于32位機器，采用兩級頁表結構是合適的，但對于64位機器，則需要采用多級頁表，對外層頁表進行分頁，然后將每個頁離散地分布到不相連的物理塊中，再用二級頁表映射它們的關系。
散列頁表：哈希頁表是操作系統用來有效管理虛擬和物理內存地址之間的內存映射的數據結構。與傳統的頁表相比，搜索速度更快，只存儲當前使用的頁面的條目就可以減小頁表的大小。
使用以邏輯頁號作為哈希值的哈希頁表。在哈希頁表中，每個頁表項都包含一個鏈表，鏈表中元素的哈希值都指向同一個位置，哈希值相同的元素使用隊列處理沖突。哈希頁表的地址轉換過程是根據邏輯頁號找到哈希值，并將這個頁號與鏈表中第一個元素的字段進行比較。如果匹配，則將對應的物理塊號和位移拼接形成物理地址；如果不匹配，則沿著鏈表依次搜索匹配的頁表項。
倒頁表：傳統的頁表和哈希頁表包含數百萬個頁表項，會消耗大量的內存空間。所以引入了倒排頁表，按物理地址排序。每個物理塊都有一個條目，每個條目包含物理塊中存儲的頁面的邏輯地址和擁有該頁面的進程的信息。當使用倒排頁表進行地址轉換時，將根據進程標識符和頁碼檢索倒排頁表。如果檢索到匹配的頁表項，則頁表項的序列號(中間的)是該頁的物理塊號，它可以與頁中的地址一起用于形成物理地址，并將其發送到存儲器地址寄存器。如果搜索了整個倒排頁表，但沒有找到匹配的頁表條目，則意味著該頁還沒有被加載到內存中。
分頁方法
請求頁面調度：在按需分頁中，操作系統僅在程序運行時將程序的必要頁面加載到內存中。當程序啟動時，它首先不會將任何頁面加載到內存中。當程序訪問當前不在內存中的頁面時，會發生頁面錯誤，然后操作系統將所需的頁面從磁盤加載到內存中，并相應地更新頁面表。
高級分頁：預分頁將所有頁面加載到內存中，當進程實際引用這些頁面時，它們將被一起調用，因此加載到主存中的頁面可能會被使用，也可能不會被使用。預分頁是用來在進程開始的時候盡量減少大量的頁面錯誤，但是會有資源的浪費。
分段分頁：段-頁管理模式是將進程的邏輯地址空間分段，建立段表，實現分段模式下的地址翻譯，然后對每個段進行分頁建立頁表，實現分頁模式下的地址翻譯。大多數CPU都采用這種思路，比如Intel CPU的Intel 80386架構。
命中缺頁：當CPU試圖從主內存中獲取所需的頁面，并且該頁面存在于主內存(RAM)中時，這被稱為“頁面命中”，當頁面丟失時，就會發生“未命中”。當進程試圖訪問物理內存中不存在的頁面時，就會發生頁面錯誤。頁面出錯的原因有三:一是頁面從未被加載到內存中；第二，頁面已經從內存中刪除；第三，頁面在內存中被修改，需要寫回磁盤。
操作系統使用分頁方法或終止進程來處理頁面錯誤。如果該頁不重要或者程序不在臨界區，則終止程序，或者將未使用的頁移到輔助存儲器，并將導致頁面錯誤的頁引入主存儲器。此外，通過使用適合當前需求并最大化頁面命中率的適當頁面替換算法，可以減輕頁面錯誤對性能的影響。
缺頁率：缺頁率是指一定時間內缺頁中斷次數與頁面趨勢次數的比值。缺頁中斷是影響程序性能的一個重要指標。系統在處理缺頁中斷時會產生大量的開銷。通常，缺頁率越低，系統的性能就越高。缺頁率計算過程舉例:采用最優替換算法，假設系統給一個進程分配三個物理塊，進程運行時的頁面走向為:4，3，2，1，4，3，5，4，3，2，3，5，三個物理塊一開始都是空閑的。
頁面替換：頁面替換是當一個頁面由于缺頁而中斷時所采用的策略。頁面替換算法可以選擇換出頁面，并將內存中的頁面換出到外部存儲器。常用的頁面替換算法包括OPT、FIFO、LRU等頁面替換算法。
最佳置換算法：最好的替換算法是從存儲器中選擇不再被訪問的頁面或者在最長時間之后需要被訪問的頁面來消除。這種算法很難實現，因為很難準確預測頁面訪問的未來順序，但可以用來評估其他算法的優劣。
先進先出排列算法：先進先出替換算法總是選擇在內存中停留時間最長的頁面進行淘汰，即先進入內存的頁面先退出內存。這個算法很容易實現，但是沒有考慮到緩存頁面被使用的情況，會有一個頻繁訪問的頁面會被清除出緩存。最近一段時間內最長時間未被訪問的頁面由最長時間替換算法選擇以被消除。這種算法的性能接近最佳算法，但實現起來比較困難。它需要花費巨大的系統開銷來找出最長時間沒有使用的頁面，為每個頁面設置相關記錄，記錄頁面訪問情況。
其他頁面替換算法
第二次機會算法：第二次機會算法是先進先出算法的改進，以避免消除頻繁使用的頁面。它與頁表中的“參考位”相結合。算法的實現思想是:在選擇一個頁面替換時，先檢查先入先出頁面隊列中隊列的第一頁。如果其“參考位”為0，則消除該頁面。如果為1，則將它的“參考位”清除為0。
簡單時鐘算法：簡單時鐘算法是二次機會算法的改進，也是LRU算法的近似。該算法要求為每個頁面設置一個訪問位，并將內存中的所有頁面鏈接到一個循環隊列中。當訪問頁面時，系統將其訪問位設置為1。替換時，使用指針從當前指針位置開始按順序檢查頁面。如果訪問位為0，則選擇要替換的頁面。如果訪問位為1，則其被設置為0，并且重復該過程，直到找到具有0的參考頁面的頁面。最后，指針停留在被替換頁面的下一頁。
分配策略
在計算機操作系統中，內存分配策略包括固定分配和可變分配，在替換頁面時也可以采用兩種策略，即全局替換和局部替換。全局替換允許一個進程從所有內存物理塊的集合中選擇過時對象，而局部替換規定每個進程只能從分配給它的物理塊中選擇過時對象。
固定分配：固定分配是一種持續的內存管理技術，在這種技術中，主內存被劃分為固定大小的分區(分區大小可以相等，也可以不相等)。當需要分配進程內存時，會找到一個足夠大的空閑分區來容納該進程。然后將內存分配給該進程。如果沒有空閑空間，進程就在隊列中等待分配內存。
可變分配：變量分配也是一種連續內存管理技術，在這種技術中，不會將主內存劃分為分區，而是將足夠大的可用內存塊分配給進程。剩余的空間被視為可用空間，可以被其他進程進一步使用。它還提供了壓縮的概念。在壓縮中，空閑空間和未分配給進程的空間組合在一起，形成一個大的內存空間。
分享保護
保護：分頁技術為進程間的內存提供保護和隔離。通過為每個進程分配一個獨立的虛擬地址空間和頁表，保證了進程只能訪問自己的存儲空間。每個邏輯地址訪問都通過硬件地址轉換機制映射到進程的物理地址空間。這樣，所有的進程活動都被限制在它們自己的內存空間中。確保一個進程不能訪問或修改另一個進程的內存。
分享：操作系統中有許多程序和數據由多個作業共享。內存中的每個進程在調用它們之前，必須將這些共享的程序和數據放入自己的地址空間。在共享內存中，內存的一部分被映射到一個或多個進程的地址空間，操作系統在這個內存段中讀寫。要實現信息共享，需要解決共享信息的保護問題，可以通過在頁表中增加一個標志位來表示該頁的信息只讀/讀寫/可執行狀態，并在進程訪問該頁時檢查訪問方式來實現。重入技術也是一種實現共享的技術，支持內存的高效使用。共享程序的副本只留在內存中，其他共享者用指針連接，幫助系統解決多任務共享同一個程序的問題。
優點缺點
優勢：空間利用率高:進程不需要占用內存中連續的空間，減少了內存碎片，提高了主存的空間利用率。每個程序最多浪費不到一頁的內存空間。
頁表結構簡單:與段表相比，頁表結構更簡單，字段更少，可以有效節省頁表所需的存儲空間。
快速地址轉換:地址轉換只需要建立虛擬頁號和實際頁號的映射關系，簡化了用戶程序加載到主存的過程，加快了地址轉換的速度。
輔助存儲管理的簡化:頁的大小通常是512字節的整數倍，現代存儲系統中常見的頁的大小范圍是1KB到16KB，簡化了輔助存儲的管理。
劣勢：程序的模塊化較差:在頁面存儲管理下，用戶程序被劃分為固定大小的頁面，程序段的實際長度不固定，因此一個頁面可能只是一個程序段的一部分，也可能在一個頁面中包含兩個或兩個以上的程序段，不能代表一個完整的程序段功能。內存空間占用大:頁表的長度也比較長，需要占用很大的存儲空間。通常，虛擬內存的每一頁都在頁表中占據一個存儲字。如果分頁虛擬內存的虛擬空間為4GB，每頁的大小為1KB，則頁數為4M，頁表的容量為4M存儲字。
性能影響
影響因素：分頁系統的性能取決于各種因素，包括頁大小、頁表大小、頁替換算法和頁表組織。
內存管理分頁技術頁面大小:頁面大小越大，需要的頁表就越少，這可能會導致更快的內存訪問時間。但是，較大的頁面大小也會導致內部碎片，并且會由于進程的實際大小與頁面大小之間的差異而浪費內存。
頁面替換算法:分頁的性能取決于所使用的頁面替換算法，算法的選擇會影響頁面出錯的次數和訪問頁面所需的時間；用于將虛擬地址映射到物理地址的頁表大小將影響存儲器訪問速度。頁表越大，內存訪問時間越慢。
頁表大小:頁表的組織也會影響分頁的性能。例如，分層頁表可以減小頁表的大小，提高內存訪問速度。
系統顛簸:系統顛簸也會影響計算機系統的性能，是由于頻繁的頁面調度活動導致系統效率大大降低的現象。Bump在大多數情況下會使系統處于等待狀態，進程被頻繁訪問、調入和淘汰，會耗費大量的系統開銷，降低系統的性能。
這種現象可以通過添加性能分析和調整軟件，持續監控執行任務的缺頁情況，并動態調整它們的頁面分配，增加分配給那些產生大量缺頁的任務的可用頁面來解決。
應付策略
翻譯后備緩沖區(TLB)：為了解決由于進程存儲器太大而導致寄存器可能無法容納所有頁表條目的問題，為頁表條目設置了一個稱為翻譯后備緩沖器(TLB)的高速緩存，以跟蹤最近使用的事務。當進行進程調用時，TLB首先檢查該頁是否已經在主存中，如果不在主存中，它發出一個頁錯誤，然后更新TLB以包含一個新的頁條目。
軟件干預：通過添加性能分析和調整軟件，我們可以持續監控執行任務的缺頁情況，并動態調整它們的頁面分配。對于那些產生大量缺頁的任務，我們可以增加分配給它們的可用頁面來解決系統顛簸現象。