如何解决内存碎片与内存交换效率慢的问题

内存分页

分段的好处是能产生连续的内存空间，但是会出现大量内存碎片与内存交换效率低的问题

先思考一下怎么解决这两个问题，内存碎片是由多个不连续的小物理内存空间造成，如果把这些不连续的小物理内存空间组合起来，是不是解决了这个问题？同样的，内存交换的时候我们保证交换的数据小，是不是能提高内存交换的效率？

这个办法就是内存分页，分页是把整个虚拟与物理空间切成一段段固定尺寸的大小，这样一个连续并且尺寸固定的空间，我们叫页，在 Linux 下，每一页的大小为4KB。（虚拟空间是指存储一套虚拟地址的空间）

虚拟地址与物理地址是通过页表来映射，虚拟空间内的虚拟地址一定是连续的，物理地址不一定，但可以通过连续的虚拟地址把多个不连续的物理内存组合使用。

而当进程访问的虚拟地址在页表中查不到时，系统会产生一个缺页异常，进入系统内核空间分配物理内存、更新进程页表，最后再返回用户空间，恢复进程的运行。

分页方式是如何解决内存碎片与内存交换效率慢的问题呢？内存碎片的解决：

因为使用内存的单位变成固定大小的页，所以每个程序的虚拟空间维护的也是连续的页（虚拟地址），通过页表再映射到物理内存页，虽然映射的物理内存页不连续，但是虚拟空间是连续的，可以让它们组合起来使用，但这也只能解决外部内存碎片问题，没有解决内部内碎片问题，因为每页都有固定大小，可能某一页只使用了部分，依然会造成一些浪费。

内存交换效率慢的解决：

之前说过，减少交换数据的大小，可以提高内存交换效率，分页方式是这样解决的，如果内存空间不够时，操作系统会把其他正在运行的进程中的「最近没被使用」的内存页释放掉，也就是加载到硬盘，称为换出，一旦需要的时候再加载进来，称为换入。所以一次性写入硬盘的也只有一个页或几个页，内存的交换效率自然就提升了。

分页方式使加载程序的时候，不再需要一次性都把程序加载到物理内存中。完全可以在进行虚拟内存和物理内存的页之间的映射之后，并不真的把页加载到物理内存里，而是只有在程序运行中，需要用到对应虚拟内存页里面的指令和数据时，再加载到物理内存里面去（用大白话说，当你需要用到的时候才会去使用对应的物理内存）。

在内存分页方式下，虚拟地址和物理地址是如何映射的？

在分页机制下，每个进程都会分配一个页表，虚拟地址会分为两部分，页号和页内偏移量，页号作为页表的索引，页表包含物理页每页所在物理内存的基地址，页内偏移量+物理内存基地址就组成了物理内存地址，如下图所示

就是下面这几步

页号找到页表中的页项

获取页项的物理页号基地址

偏移量+物理页号基地址计算出物理内存地址