【软考每日一练004】图解内存管理：分页存储地址转换与页面置换算法详解
1. 题目复现
题目描述：
进程 P 有 8 个页面，页号分别为 0~7，页面大小为 4K。假设系统给进程 P 分配了 4 个存储块，进程 P 的页面变换表如下所示。表中的状态位等于 1 和 0 分别表示页面在内存和不在内存。
| 页号 | 页帧号 | 状态位 | 访问位 | 修改位 |
|---|---|---|---|---|
| 0 | - | 0 | 0 | 0 |
| 1 | 7 | 1 | 1 | 0 |
| 2 | 5 | 1 | 0 | 1 |
| 3 | - | 0 | 0 | 0 |
| 4 | - | 0 | 0 | 0 |
| 5 | 3 | 1 | 1 | 1 |
| 6 | - | 0 | 0 | 0 |
| 7 | 9 | 1 | 1 | 0 |
- 若进程 P 要访问的逻辑地址为十六进制5148H5148H5148H，则该地址经过变换后，其物理地址应为十六进制（ ）；
- 如果进程 P 要访问的页面 6 不在内存，那么根据页面置换算法，应该淘汰页号为（ ）的页面。
选项：
第一问：A. 3148H | B. 5148H | C. 7148H | D. 9148H
第二问：A. 1 | B. 2 | C. 5 | D. 9
2. 答案解析
第一问：物理地址转换
答案：A. 3148H
解析过程：
- 拆分逻辑地址：逻辑地址5148H5148H5148H是十六进制。
- 页面大小为4K=2124K = 2^{12}4K=212字节，对应十六进制中的3 位（因为163=409616^3 = 4096163=4096）。
- 因此，后三位148H148H148H为页内偏移量（W）。
- 最高位5H5H5H为页号（P）。即：P=5P = 5P=5。
- 查表：找到页号为 5 的行。
- 状态位为 1（说明在内存中）。
- 对应的**页帧号（物理块号）**为 3。
- 组合物理地址：
- 物理地址 = 页帧号 + 页内偏移量。
- 将 3 与148H148H148H拼接，得到3148H3148H3148H。
第二问：页面置换选择
答案：B. 2
解析过程：
该题考查的是改进型 Clock（时钟）置换算法（也称为 NRU 算法）。该算法根据（访问位 A，修改位 M）的组合来选择淘汰页。
- 确定候选页：只有状态位为 1（已在内存中）的页面才能被淘汰。
- 页 1：(1, 0)
- 页 2：(0, 1)
- 页 5：(1, 1)
- 页 7：(1, 0)
- 优先级规则：改进型 Clock 算法的淘汰优先级如下：
- 第 1 类 (0, 0)：最近未访问且未修改（最佳选择）。
- 第 2 类 (0, 1)：最近未访问但已修改。
- 第 3 类 (1, 0)：最近已访问但未修改。
- 第 4 类 (1, 1)：最近已访问且已修改。
- 匹配结果：
- 内存中没有 (0, 0) 类型的页面。
- 页号 2的属性是(0, 1)，属于第 2 类，是当前优先级最高的淘汰对象。
3. 解题思路总结（干货）
3.1 宏观视角：为什么需要“页面”？
1. 什么是页面？物理载体是什么？
为了解决内存碎片问题，OS 把进程的逻辑地址空间分成若干个固定大小的区域，称为页面（Page）。
- 物理载体：页面是逻辑上的划分，它最终要存放到物理内存中。物理内存被对应地划分为等大的存储块（Storage Block），也叫**页帧（Page Frame）**或物理块。
- 物理载体：存储块的物理载体就是计算机的RAM（内存条）。
2. 页面大小是谁确定的？
页面的大小通常是222的幂次（如4KB4KB4KB）。
- 谁确定：由硬件（CPU 架构）和操作系统共同确定。
- 为什么有大小：页面太大，内存碎片（页内碎片）多；页面太小，页表就会变得臃肿。4KB4KB4KB是目前权衡后的主流标准。
3. 页号 vs 页帧号
页号（Page Number）：进程视角下的“逻辑编号”。
页帧号（Frame Number）： 内存条上实际存储位置的“物理编号”。
页表的作用就是记录这两者的映射关系。它存储在内存中（系统区），由 MMU（内存管理单元） 硬件加速查询。
3.2 核心机制
在题目给出的页表中，除了映射关系，还有三个关键的状态位，它们由 MMU 在访问时自动触发变更，或由 OS 定期清理：
| 状态位 | 含义 | 触发变更时机 |
|---|---|---|
| 状态位 § | 页面是否在内存中 | 页面调入内存置 1，换出置 0。 |
| 访问位 (A) | 最近是否被访问过 | 只要 CPU 读/写该页，硬件自动置 1。 |
| 修改位 (M) | 页面内容是否被改过 | 只有发生“写”操作时，硬件自动置 1。 |
3.3 原题目如果换一种规则
如果题目要求使用其他算法，结果会怎样？
- FIFO（先进先出）：无法判断。因为页表里没给“进入内存的时间”。如果假设按页号顺序进入，则淘汰页 1。
- LRU（最近最久未使用）：理论上淘汰页 2。因为页 2 的访问位为 0，而 1, 5, 7 访问位均为 1。LRU 认为 0 代表最久没用。
- 当前主流算法：现实中的 Linux 和 Windows 并不使用纯粹的 LRU（因为开销太大），而是使用Clock 算法的变种或WSL（驻留集管理）。
4、 总结
- 页号看索引，页帧看内存。
- 地址转换：保持偏移量不变，只换“头”（页号换块号）。
- 置换算法：看到访问位和修改位，直接上NRU (0,0) > (0,1) > (1,0) > (1,1)规则。
