分页存储（Paging）是一种现代计算机系统中广泛采用的内存管理技术，它将主存（RAM）划分为固定大小的连续区域，称为“页”（Page）。同时，将进程的逻辑地址空间划分为同样大小的虚拟页（Virtual Page）。分页存储的主要目的是实现虚拟内存管理，使得进程可以使用比实际物理内存更大的地址空间，并支持进程的并发执行和内存共享。以下是对分页存储系统的主要特性和工作原理的详细介绍：
主要特点：
- 逻辑地址与物理地址分离：
- 分页存储系统引入了两级地址结构：逻辑地址（由进程生成）和物理地址（由硬件识别）。逻辑地址由页号（Page Number, PN）和页内偏移（Offset）组成。物理地址则对应主存中的实际位置，由物理页号（Physical Page Number, PPN）和页内偏移组成。
- 页表：
- 为了将逻辑地址转换为物理地址，系统为每个进程维护一张页表（Page Table）。页表是一个数组，每个条目（Page Table Entry, PTE）对应进程的一个虚拟页。PTE包含该虚拟页对应的物理页号以及其他控制信息，如有效位（Valid/Invalid Bit）、访问位（Accessed Bit）、修改位（Dirty Bit）等。
- 硬件支持：
- 系统硬件（如MMU，Memory Management Unit）负责逻辑地址到物理地址的转换。当CPU发出一个逻辑地址访问请求时，MMU首先提取出页号和页内偏移，然后查找页表获取对应PTE中的物理页号。如果有效位为1（表示该虚拟页已映射到物理内存），则将物理页号与页内偏移拼接成物理地址，完成地址转换；否则触发缺页异常（Page Fault），由操作系统介入处理。
- 页面大小：
- 页面大小通常是2的幂（如4 KiB、2 MiB等），这样可以简化地址转换过程。页面大小的选择应考虑系统性能、内存利用率和外部碎片等因素。
- 页面替换算法：
- 当发生缺页异常，且主存已满时，需要选择一个已存在的物理页将其内容换出到辅存（如硬盘上的交换空间），以便为新的虚拟页腾出空间。常用的页面替换算法包括：最久未使用（LRU）、先进先出（FIFO）、最近最少使用（LFU）、Clock算法、二次机会等。
- 内存保护：
- 通过页表中的权限位（如读/写/执行权限）实现对每个虚拟页的访问权限控制，防止非法访问和数据破坏。
工作原理：
- 进程创建与加载：
- 当操作系统创建或加载一个进程时，为其分配页表，并根据进程的内存需求，将部分或全部虚拟页映射到物理内存。初始时，可能只有部分页面被装入内存，其余页面在首次访问时触发缺页异常。
- 地址转换：
- 进程执行过程中，CPU生成逻辑地址。MMU截获访问请求，通过查页表将逻辑地址转换为物理地址。若所需页面已在内存中，则直接访问；否则触发缺页异常。
- 缺页异常处理：
- 操作系统收到缺页异常后，检查是否因访问越界或权限错误导致。若合法，根据页面替换算法选择一个牺牲页（Victim Page），将其内容换出到辅存，并更新页表。然后，从辅存加载所需的虚拟页内容到空出的物理页，更新页表，并重试原访问指令。
- 页面换出与换入：
- 页面换出时，操作系统将牺牲页的内容写回辅存，并更新页表。页面换入时，操作系统从辅存读取所需虚拟页内容到空闲物理页，并更新页表。换出和换入过程可能涉及磁盘I/O，因此会引入一定延迟。
- 页面共享：
- 分页存储支持进程间的内存共享。多个进程的页表可以映射到相同的物理页，从而实现数据或代码的共享。这对于减少内存占用、提高系统效率（如共享库文件）非常有用。
优缺点对比：
优点：
- 灵活的内存管理：分页存储支持任意大小的内存分配，且易于实现内存的动态分配与回收。
- 虚拟内存：使得进程可以使用超过物理内存大小的地址空间，通过页面换入换出实现按需访问，大大提高了内存利用率。
- 内存保护：通过页表中的权限位实现对每个虚拟页的访问控制，增强了系统的安全性。
- 进程并发执行：每个进程有自己的页表，通过逻辑地址到物理地址的转换，实现了进程间内存的隔离，支持多进程并发执行。
缺点：
- 额外开销：分页存储引入了页表查询、地址转换等额外开销，可能影响系统性能。现代硬件通过TLB（Translation Lookaside Buffer）缓存最近使用的页表项，以降低这部分开销。
- 内部碎片：由于页面大小固定，分配给进程的内存可能会出现不能完全填满页面的情况，导致内部碎片。
- 页面换入换出：频繁的页面换入换出（Thrashing）会导致大量的磁盘I/O，严重影响系统性能。
总结来说，分页存储是一种重要的内存管理技术，通过逻辑地址与物理地址的分离、页表的使用以及硬件的支持，实现了虚拟内存管理、内存保护和进程并发执行。尽管存在额外开销和内部碎片等问题，但通过优化硬件（如TLB）和页面替换算法，现代操作系统已经能够在很大程度上克服这些挑战，使得分页存储成为现代计算机系统不可或缺的一部分。
