页表项的结构是与机器相关的,但是不同机器上的页表项大致相同。上面是一个页表项的构成,不同计算机的页表项可能不同,但是一般来说都是 32 位的。页表项中最重要的字段就是页框号(Page frame number)。毕竟,页表到页框最重要的一步操作就是要把此值映射过去。下一个比较重要的就是在/不在位,如果此位上的值是 1,那么页表项是有效的并且能够被使用。如果此值是 0 的话,则表示该页表项对应的虚拟页面不在内存中,访问该页面会引起一个缺页异常(page fault)。
保护位(Protection) 告诉我们哪一种访问是允许的,啥意思呢?最简单的表示形式是这个域只有一位,0 表示可读可写,1 表示的是只读。
修改位(Modified) 和 访问位(Referenced) 会跟踪页面的使用情况。当一个页面被写入时,硬件会自动的设置修改位。修改位在页面重新分配页框时很有用。如果一个页面已经被修改过(即它是 脏 的),则必须把它写回磁盘。如果一个页面没有被修改过(即它是 干净的),那么重新分配时这个页框会被直接丢弃,因为磁盘上的副本仍然是有效的。这个位有时也叫做 脏位(dirty bit),因为它反映了页面的状态。
访问位(Referenced) 在页面被访问时被设置,不管是读还是写。这个值能够帮助操作系统在发生缺页中断时选择要淘汰的页。不再使用的页要比正在使用的页更适合被淘汰。这个位在后面要讨论的页面置换算法中作用很大。
最后一位用于禁止该页面被高速缓存,这个功能对于映射到设备寄存器还是内存中起到了关键作用。通过这一位可以禁用高速缓存。具有独立的 I/O 空间而不是用内存映射 I/O 的机器来说,并不需要这一位。
页面置换算法下面我们就来探讨一下有哪些页面置换算法。
最优页面置换算法最优的页面置换算法的工作流程如下:在缺页中断发生时,这些页面之一将在下一条指令(包含该指令的页面)上被引用。其他页面则可能要到 10、100 或者 1000 条指令后才会被访问。每个页面都可以用在该页首次被访问前所要执行的指令数作为标记。
最优化的页面算法表明应该标记最大的页面。如果一个页面在 800 万条指令内不会被使用,另外一个页面在 600 万条指令内不会被使用,则置换前一个页面,从而把需要调入这个页面而发生的缺页中断推迟。计算机也像人类一样,会把不愿意做的事情尽可能的往后拖。
这个算法最大的问题时无法实现。当缺页中断发生时,操作系统无法知道各个页面的下一次将在什么时候被访问。这种算法在实际过程中根本不会使用。
最近未使用页面置换算法为了能够让操作系统收集页面使用信息,大部分使用虚拟地址的计算机都有两个状态位,R 和 M,来和每个页面进行关联。每当引用页面(读入或写入)时都设置 R,写入(即修改)页面时设置 M,这些位包含在每个页表项中,就像下面所示
因为每次访问时都会更新这些位,因此由硬件来设置它们非常重要。一旦某个位被设置为 1,就会一直保持 1 直到操作系统下次来修改此位。
如果硬件没有这些位,那么可以使用操作系统的缺页中断和时钟中断机制来进行模拟。当启动一个进程时,将其所有的页面都标记为不在内存;一旦访问任何一个页面就会引发一次缺页中断,此时操作系统就可以设置 R 位(在它的内部表中),修改页表项使其指向正确的页面,并设置为 READ ONLY 模式,然后重新启动引起缺页中断的指令。如果页面随后被修改,就会发生另一个缺页异常。从而允许操作系统设置 M 位并把页面的模式设置为 READ/WRITE。
可以用 R 位和 M 位来构造一个简单的页面置换算法:当启动一个进程时,操作系统将其所有页面的两个位都设置为 0。R 位定期的被清零(在每个时钟中断)。用来将最近未引用的页面和已引用的页面分开。
当出现缺页中断后,操作系统会检查所有的页面,并根据它们的 R 位和 M 位将当前值分为四类:
第 0 类:没有引用 R,没有修改 M
第 1 类:没有引用 R,已修改 M
第 2 类:引用 R ,没有修改 M
第 3 类:已被访问 R,已被修改 M