超越物理内存：机制

为何引入交换区

当所有进程的虚拟地址空间总和超过DRAM容量时，操作系统必须把暂时不用的页面暂时放到容量更大但更慢的设备上。这块预留区域称为交换空间。程序员因此不必再手工安排覆盖，系统也能同时运行更多程序。

存在位如何指示页面位置

页表项增加一位存在标志。该位为1表示页面正占用某个物理帧，为0则表示页面位于磁盘。硬件在TLB未命中后检查此位；若清零就立即陷入操作系统，而不是生成非法物理地址。

缺页处理程序的工作步骤

陷入后操作系统从PTE里读出磁盘块号，必要时先把牺牲页写回交换区，再发起读请求把目标页装入空闲或腾出的帧，更新存在位和帧号，最后重新执行那条访存指令。

可执行文件页面与多道程序

程序代码不必占用交换区，因为它们可以随时从文件系统中的原始二进制再次装入。交换机制同时让早期内存很小的机器也能实现真正的多道程序设计。

常见误区

• 以为处理器自己会去磁盘取页
• 忘记代码页可以直接从可执行文件按需装入
• 把合法但被换出的访问误判为保护违例

最低标准 C11 · 完整程序 · 下载 .c

#include <stdio.h>
#include <stdbool.h>

#define N 8

typedef struct {
    bool present;
    unsigned loc;
} PTE;

static void dump(const PTE pt[]) {
    puts("VPN Present Location");
    for (int i = 0; i < N; i++)
        printf("%3d %7s %8u\n", i, pt[i].present ? "yes" : "no", pt[i].loc);
}

int main(void) {
    PTE pt[N] = {
        {true, 0}, {true, 1}, {false, 4}, {true, 2},
        {false, 6}, {false, 2}, {true, 3}, {false, 7}
    };
    puts("=== Tiny VM with Swap Simulator ===");
    puts("Initial page table:");
    dump(pt);
    puts("\nCPU references VPN 2 -> present bit clear -> PAGE FAULT");
    puts("Handler reads disk block 4, evicts VPN 0 to swap 0, places page in PFN 0");
    pt[0].present = false;
    pt[0].loc = 0;
    pt[2].present = true;
    pt[2].loc = 0;
    puts("Page table after fault handling:");
    dump(pt);
    puts("\nCPU references VPN 6 -> present, PFN 3, no fault");
    puts("Large virtual memory illusion maintained.");
    return 0;
}

在本地编译

gcc -std=c11 -Wall -Wextra -Wpedantic -Werror ostep-21-swapping-mechanisms.c -o example && ./example

预期结果

=== Tiny VM with Swap Simulator ===
Initial page table:
VPN Present Location
  0     yes        0
  1     yes        1
  2      no        4
  3     yes        2
  4      no        6
  5      no        2
  6     yes        3
  7      no        7

CPU references VPN 2 -> present bit clear -> PAGE FAULT
Handler reads disk block 4, evicts VPN 0 to swap 0, places page in PFN 0
Page table after fault handling:
VPN Present Location
  0      no        0
  1     yes        1
  2     yes        0
  3     yes        2
  4      no        6
  5      no        2
  6     yes        3
  7      no        7

CPU references VPN 6 -> present, PFN 3, no fault
Large virtual memory illusion maintained.

CHECK YOUR UNDERSTANDING

合上答案，试着解释。

某PTE当前 present=0、磁盘块=17。缺页成功处理后这两个字段分别变成什么？

继续查证

• OSTEP chapter PDF

标准草案与官方章节会更新；版本标记只说明示例最低要求。