如何通过分页式存储管理实验深入理解内存管理机制？-酷北运营网

分页式存储管理实验

一、引言

分页式存储管理是操作系统中的一种内存管理方式，旨在有效地分配和管理计算机系统的内存资源，通过将内存分割成固定大小的块（称为页面），分页式存储管理能够实现内存的动态分配和释放，提高内存利用率，本文将详细介绍分页式存储管理的实验内容，包括位示图数据结构、地址转换、缺页处理以及FIFO和LRU算法的实现。

二、位示图数据结构

位示图是一种利用若干位的0/1值表示某类空间占用状态的数据结构，在分页式存储管理实验中，位示图用于模拟内存的使用情况，假设内存大小为64K，块大小为1K，则共有64个块，需要创建如下的位示图数据结构：

#define BLOCK_SIZE 1024    //块大小，定义成宏，便于修改
#define MEM_SIZE 64        //块个数
char bitmap[MEM_SIZE / 8]; //定义char型数组，每个char变量占用8位，长度为8，共64位

随机填充的代码如下：

#include <time.h>
srand(time(NULL));
for (int i = 0; i < MEM_SIZE / 8; i++) {
    bitmap[i] = (char)rand();
}

随机填充后的位示图可能的值如图2-1所示，该位示图表示内存的2（0字节第2位）、3（0字节第3位）、6（0字节第6位）、8（1字节第0位）、9（1字节第1位）、12（1字节第4位）、15（1字节第7位）等块没有被占用。

三、地址转换与页表操作

在分页式存储管理中，逻辑地址需要转换为物理地址，根据页面大小得到逻辑地址中页号和页内地址分界值：

int mylog2(int size) {
    return (int)ceil((log10(size) / log10(2)));
}

根据输入的逻辑地址la，计算其页号和页内地址：

int la, pageno, offset, mask;
printf("逻辑地址：(<0退出)：");
scanf("%d", &la);
pageno = la >> mylog2(BLOCK_SIZE);
mask = (0xffffffff) << mylog2(BLOCK_SIZE);
offset = la & mask;

四、缺页处理与页面置换算法

当访问的页面不在内存中时，会发生缺页中断，需要从外存中调入所需页面，并将其放入内存中的一个空闲块中，如果内存中没有空闲块，则需要按照某种页面置换算法选择一个页面进行替换，本实验实现了FIFO和LRU两种页面置换算法。

FIFO算法

FIFO（先进先出）算法总是换出最先进入内存的页面，可以通过设置一个队列来保存当前使用的各个页面的页号，表示当前内存分配情况，当发生缺页中断时，找出队首页面并将其换出，同时将新页面加入队尾。

LRU算法

LRU（最近最久未使用）算法选择最近最久未使用的页面进行替换，可以通过一个特殊的栈来保存当前使用的各个页面的页号，栈顶位置始终存储最近被访问的页面的编号，而栈底则存储最近最久未使用页面的编号，当发生缺页中断时，如果栈未满，则将新页面的页面号压入栈顶；如果栈已满，则将栈底页面换出，并将新页面的页面号压入栈顶。