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分页

此条目介绍的是操作系统里存储器管理的一种技术。关于浏览器的分页，请见“分页 (GUI)”。

分页（英语：Paging），是一种操作系统里存储器管理的一种技术，可以使电脑的主存储器可以使用存储在辅助存储器中的资料。操作系统会将辅助存储器（通常是磁盘）中的资料分割成固定大小的区块，称为“页”（pages）。当不需要时，将分页由主存储器（通常是内存）移到辅助存储器；当需要时，再将资料取回，加载主存储器中。相对于分段，分页允许存储器存储于不连续的区块以维持文件系统的整齐。[1]分页是磁盘和内存间传输数据块的最小单位。

分页／虚拟内存能有助“大大地”降低整体及额外非必要的 I/O 次数，提高系统整体运作性能。因为这能有助提高 RAM 的读取命中率，也透过其内部的高效率算法来达到 I/O 数据流的预缓存工作，通过与之相关的等等手段也能很好地提高了 CPU 的使用效率，而拥有大物理内存的用户更可能考虑利用如Ramdisk、Supercache、SoftPerfect RAM Disk等模拟出硬盘分区来同时将虚拟内存／系统临时文件等设置其上以进一步加强系统性能，及达至保障硬盘的措施。分页是虚拟内存技术中的重要部分。

概览

分页就是当资料并没有映射在随机存储器上时，操作系统必需控制使程序继续运行所会做的动作。一般来说，操作系统会将运行中程序的资料放至随机存储器上空的帧中，将不需要的资料从帧上清除，但如果随机存储器没有空的帧可用，操作系统会把一部分的资料存回辅助存储器然后释放。辅助存储器会用分页的方式将文件存在经过平均分配大小的页上，等到随机存储器需要使用时再写回。如果在随机存储器释放资料过后还需要更新资料，系统必须将资料先写回后更新，再存入辅助存储器中。高性能的系统需要在替换随机存储器上的资料时消耗较少的时间，所以一般的系统会采取最近最少使用算法（LFU）来达到较高的效果。

命中和缺页

主条目：虚拟内存

由于更早地被发明（20世纪60年代早期），类似CPU-存储器之间的SRAM缓存，虚拟存储器系统使用不同的术语。

  • 虚拟存储器系统中，DRAM缓存命中，为称读取一个地址时，该地址在DRAM缓存中的过程。命中过程不需要程序再从磁盘中缓慢读取数据。[2]
  • 相对地，DRAM不命中称为缺页（page fault）。由于页帧由有效位和实际页号（或磁盘地址）构成，当有效位标记为0时，即表明该地址未在缓存中，调用该地址则会引发缺页异常，从而从磁盘中拷贝需要的内容，覆盖缓存中的一个牺牲页，从而能够命中。过多的缺页将导致反复的磁盘读取和写入，非常耗费计算时间。

系统颠簸

尽管在整个运行过程中程序引用的不同页面总数（也就是虚拟内存大小）可能超出物理存储器（DRAM）总大小，但是程序常常在较小的活动页面（active page）上活动，这个集合叫作工作集（working set）或常驻集（resident set）。在工作集被缓存后，对它的反复调用将使程序命中提高，从而提高性能。

大部分的程序都可以在存储器获取资料和读取中达到稳定的状态，当程序达到稳定状态时，存储器的使用量通常都不会太大。虚拟内存虽然可以有效率的去控制存储器的使用，但解决大量的页缺失还是造成系统迟缓的主要因素。当工作集的大小超过物理存储器大小，程序将发生一种不幸的情况，这种情况被称为“颠簸（Thrashing）”，页面将不停地写入、释放、读取，由于大量的丢失（而非命中）而损失极大性能。[3]用户可以增加随机存储器的大小或是减少同时在系统里执行程序的数量来降低系统颠簸的几率。

页面调度

  • 当需要用到资料时再向系统请求，使系统将资料由辅助存储器传入存储器上，这就叫“需求分页”。它使得系统不需要将全部的程序都放在存储器上，减少了所需要的存储器的数量。[4][5][6]所有现代系统都使用按需页面调度（paging）的方式。
  • 当系统查看分页表时认为某些资料可能需要用到，而先将资料传到存储器上的行为，就叫做“先行分页”， 当存储器够大的话通常会采取这种方式。[6]
  • Unix系统会定期使用sync程序来清理所有经过更动的帧，它会将所有被更动过的帧存到辅助存储器中。Windows系统有时亦会进行类似功能的操作，它可以使新程序在开启时更快速。

分享

在多任务处理或多用户的环境下，经常遇到不同的程序需要用到相同的资料，如果采用个别处理的话，很多的存储器会被浪费掉，分享的功用使不同的程序可以使用相同的存储器。分享功能还需注意的是系统必须要分离经过修改过后的资料以防止其他程序需要用到修改前的资料。

实现

Ferranti Atlas

第一台支持分页系统的电脑是Atlas，[7][8] 这台电脑有着分割成各250字的分页的结合存储。

Windows 3.X和Windows 9x

微软为了要使1990年的Windows 3.x不像Windows 1.0或Windows 2.0一样需要大量的硬件资源，因而把分页系统加到Microsoft Windows内。系统会创造名为 386SPART.PAR 或 WIN386.SWP 的隐藏档来跟存储器交换文件，通常可以在根目录找到，有时候也会生成在 WINDOWS 文件夹中。此文件的大小决定页面文件的大小（可以在控制面板中调整），如果用户移动或删除这个文件会在下次开机时出现蓝屏死机。

Windows NT

在Windows NT的系统中（如Windows XP、Vista、7、8 等），页面文件名为 pagefile.sys 并存储在根目录中。有时在开机扇区会出现系统崩溃并出现存储器倾印的状况，Windows系统会将页面文件作为暂存用途，并在下次重起系统时释放页面文件的空间。

Unix及类Unix系统

在Unix及类Unix系统中，系统会定期更新随机存储器与虚拟内存间的资料，其中有些系统会在硬盘上划一块专门的区块作为页面文件交换文件用，称为交换分区（swap partitions），有些系统还可以把这个区块用文件的形式出现。

Linux

在Linux核心2.6以上中，因为系统可以直接绕过其他程序直接跟文件形式的分区交换，分区档的速度已经可以跟交换分区一样快了，[9]且分区档可以自动被存放在硬盘读取最频繁的地方，不过红帽公司还是建议将硬盘划专门区块做使用。不过使用文件形式的分区的灵活度较高，可以自由存放在任一个磁盘，更改成任一大小，在硬盘划专门区块后除非使用特殊的工具，否则无法更动位置及大小。Linux可以创建无数个分区，并将文件排优先级，硬盘读取越频繁的地方通常越是系统优先使用该分区，因此要谨慎的排好优先级，否则会大大的降低系统的性能。

OS X

OS X使用多重的分区文件，虽然它可以存到其他的地方，但默认就会将文件存到硬盘的根目录中。

32位硬件限制

由于32位的硬件地址总线最高只能寻址到4GB的位置，超过的部分将不能被电脑进行分页使用存储器。

参考资料

  1. ^ RAM, virtual memory, pagefile, and memory management in Windows. Microsoft. [2012-11-26]. （原始内容存档于2015-03-03）. 
  2. ^ 《深入理解计算机系统》（美）Randal E.Bryant, David R. O'Hallaron 著.机械工业出版社（2010）.第九章 虚拟存储器. 9.3. Page538.
  3. ^ 《深入理解计算机系统》（美）Randal E.Bryant, David R. O'Hallaron 著.机械工业出版社（2010）.第九章 虚拟存储器. 9.3. Page540.
  4. ^ 请求分页技术. 2008-03-06 [2012-11-27]. [永久失效链接]
  5. ^ 需求分頁 - 台灣科技大學. [2012-11-27]. （原始内容存档于2016-03-04）. 
  6. ^ 6.0 6.1 虛擬記憶體管理 - 和春技術學院. [2012-11-27]. （原始内容 (PPT)存档于2013-12-03）. 
  7. ^ Atlas. Computer50. [2012-11-27]. （原始内容存档于2012-07-28）. 
  8. ^ Atlas Architecture. Chilton-computing.org.uk. [2012-11-27]. （原始内容存档于2012-12-10）. 
  9. ^ Andrew Morton: Re: Swap partition vs swap file. LKML.ORG. [2012-11-27]. （原始内容存档于2010-11-24）. 

参见

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