带有示例的 OS 分页

操作系统中的分页是一种常见的内存管理技术，它将一个进程的虚拟地址空间划分成固定大小的页面，而物理内存也被划分成相应大小的页框，进程的页被映射到页框上。这使得操作系统可以更好地管理内存，提高内存的使用效率。

分页的优点

• 可以更好地利用内存
• 可以保护进程之间的内存空间
• 可以简化内存管理的实现和维护

分页的实现

下面是一个简单的 OS 分页的示例，它使用 C 语言来实现一个简单的分页系统。

宏定义

#define PAGE_SIZE 4096
#define MEM_SIZE (1024 * 1024)
#define PAGE_NUM (MEM_SIZE / PAGE_SIZE)

#define OFFSET_MASK 0xfff
#define PAGE_MASK 0xfffff000

在这个示例中，我们定义了页大小为 4KB，内存大小为 1MB，页表大小为 256 个页。

初始化

int *mem = NULL;
int *page_table = NULL;

void init_page_table() {
    page_table = (int *)malloc(PAGE_NUM * sizeof(int));
    memset(page_table, -1, PAGE_NUM * sizeof(int));
}

void init_memory() {
    mem = (int *)malloc(MEM_SIZE);
    memset(mem, 0, MEM_SIZE);
}

在初始化函数中，我们使用 malloc 函数申请内存和页表，使用 memset 函数初始化内存和页表。

地址映射

int get_physical_address(int virtual_address) {
    int page_num = virtual_address >> 12;
    int offset = virtual_address & OFFSET_MASK;
    int frame_num = page_table[page_num];

    if (frame_num == -1) {
        frame_num = allocate_frame();
        page_table[page_num] = frame_num;
    }

    return (frame_num << 12) | offset;
}

在这个函数中，我们将虚拟地址映射到物理地址。我们将虚拟地址的高 20 位作为页号，低 12 位作为偏移量。我们使用页表查找该页所映射的页框，如果该页没有映射到物理页面，则分配一个新的页面，并将其映射到该页面。

分配页面

int allocate_frame() {
    static int frame_idx = 0;
    if (frame_idx >= PAGE_NUM) {
        return -1;
    }
    return frame_idx++;
}

在这个函数中，我们使用静态变量 frame_idx 来表示下一个可用的页面。如果已经分配了所有的页面，则返回 -1。

示例

init_page_table();
init_memory();

int *p1 = mem + get_physical_address(0x1000);
*p1 = 1;

int *p2 = mem + get_physical_address(0x3000);
*p2 = 2;

int *p3 = mem + get_physical_address(0x5000);
*p3 = 3;

printf("p1 = %d\n", *p1);
printf("p2 = %d\n", *p2);
printf("p3 = %d\n", *p3);

在这个示例中，我们先初始化页表和内存。然后，我们将虚拟地址 0x1000、0x3000、0x5000 的值分别设置为 1、2、3。最后，我们打印了这些指针指向的值。

总结

本文介绍了 OS 分页的概念和实现，包括地址映射、初始化和页面分配等内容。希望本文能对读者有所启发，帮助读者更好地理解操作系统中的分页机制。