【操作系统】3.2内存管理（操作系统负责内存空间的分配与回收 ②）

基本分段存储管理

1. 什么是分段（类比分页）

• 进程的地址空间：按照程序的自身逻辑关系划分为若干个段，每个段都有一个段名（在低级语言中，程序员使用段名来编程），每段从开始编址
• 内存分配规则：以段为单位进行分配，① 每个段在内存中占连续空间，但② 各个段之间可以不相邻
• 由于是按逻辑功能模块划分，用户编程更加方便，程序的可读性更高
• 编译程序会将段名转换成段号，CPU是根据段号区分段的
  
• 分段系统的逻辑地址结构：
  1. 段号的位数决定了每个进程最多可以分成几个段
  2. 段内地址位数决定了每个段的最大地址长度
     

2. 什么是段表（类比页表）

• 程序分多个段，各段离散地装入内存，为了保证程序能正常运行，就必须能从物理内存中找到各逻辑段的存放位置，为此，需要为每一个进程建立一张映射表，简称“段表”
  

1. ⭐每个段对应一个段表项，其中记录了该段在内存中的起始位置（又称“基址”）和段的长度
2. 确定段表项的长度：
   1. 各个段表项的长度时相同的。例如：某系统按字节寻址，采用分段存储管理，逻辑地址结构为（段号16位，段内地址16位），因此，① 采用16位即可以表示最大段长（由最大段内偏移量决定）。② 物理地址内存大小位4GB（可以用32位表示整个物理内存地址空间）
   2. 故可以让每个段表项占16+32=48位，即6B
3. 由于段表项的长度相同，所以可以隐藏段号，不占存储空间：若段表存放的起始地址位M，则K号段表项的存放地址位 M + K * 6

3. 如何实现地址转换

1. 根据逻辑地址得到段号S、段内地址W
2. 判断段号是否越界，若S≥M，则产生越界中断，否则继续执行（注：段表长度（段表项个数）至少是1，段号从0开始）
3. 查询段表，找到对应的段表项，段表项的存放地址为F+S* 段表项长度
4. ⭐检查段内地址是否超过了段长C，若W≥C，则产生越界中断，否则继续执行（与页式存储的区别之处：因为段式存储中每个段长度不同，需要检查）
5. 计算得到物理地址
6. 访问目标内存单元
   

4. 分段、分页管理的比较

1. 页
   1. 信息的物理单位，分页的主要目的是为了实现离散分配，提高内存利用率
   2. 分页仅仅是系统管理上的需要，完全是系统行为，对用户是不可见的
   3. 页的大小式固定的，且由系统决定
2. 段
   1. 是信息的逻辑单位，分段的主要目的是为了更好的满足用户的需求。一个段通常包含着一组属于一个逻辑模块的信息
   2. 分段对用户是可见的，用户编程时需要显式地给出段名
   3. 段的长度不固定，决定于用户编程写的程序
3. 分页的用户进程的地址空间时 一维 的，程序员只需要给出一个记忆符即可表示一个地址
4. 分段的用户进程的地址空间时 二维 的，程序员在标识一个地址时，既要给出段名，也要给出段内地址

   ⭐理解：
   1. 分页中，每个页面的大小是相同的。故如果页面大小为在给出一个逻辑地址 2049后，算出页号：2049/1k=2，则可算出该逻辑地址在2号页，算出页内偏移量：2049%1k=1，故得出页内偏移量为1，与页号结合便可得到相应的物理地址
   2. 而分段中，每个段是根据逻辑模块划分的，即每段的大小不可能是相同的，所以单单给出一个逻辑地址并 不能得到段号和段内偏移量。故可以理解为，需要提供段号和段内偏移量两个逻辑地址。
   

5. 分段比分页更容易实现信息的共享和保护
   1. 不能被修改的代码称为纯代码或可重入代码（不属于临界资源），这样的代码是可以共享的。可修改的代码是不能共享的（比如，有一个代码段中很多变量，各进程并发地同时访问可能造成数据的不一致）
   2. 如下图中的绿色代码段，只是简单的输出，则只需要让各进程的段表项指向同一个段即可实现共享
   3. 而分页中，同一个功能可能和其他功能的代码放在同一个页面中，这样如果将页面全部共享，则页面中其他不可以共享的代码也会变成共享，这样是不允许的（页面不是按逻辑模块划分的，页面中可能只有一部分是允许共享的，故实现共享很困难）
      
6. 访问一个逻辑地址需要几次访存？
   1. 分页（单级页表）：第一次访存——查询内存的页表，第二次访存——访问目标内存单元。总共两次访存
   2. 分段：第一次访存——查内存中的段表，第二次访存——访问目标内存单元。总共两次访存
   3. 分段系统中也可以引入快表机构，将近期访问过的段表项放到快表中，这样可以少一次访问，加快地址变换速度

段页式管理方式

1. 分页、分段管理方式中最大的优缺点

1. 分页管理：
   1. 优点： 内存空间利用率高，不会产生外部碎片，只会有少量的页内部碎片
   2. 缺点：不方便按照逻辑模块实现信息的共享和保护
2. 分段管理：
   1. 优点：很方便按照逻辑模块实现信息的共享和保护
   2. 缺点：如果段长过大，为其分配很大的连续空间会很不方便。另外，段式管理会产生外部碎片（分段管理中产生的外部碎片也是可以用“紧凑”技术来解决，只是需要付出较大的时间代价）

2. 分段+分页的结合——段页式管理方式

• 将进程按逻辑模块分段，再将各段分页（如每个页面4KB），再将内存空间分为大小相同的内存块（页框、页帧、物理快），进程将各页面分别装入各内存块中
  
• 分段系统的逻辑结构地址由段号和段内地（段内偏移量）址组成。如：
  
• 段页式系统的逻辑地址由段号、页号、页内地址（页内偏移量）组成。如：
  
  1. 段号的位数决定了每个进程最多可以分几个段
  2. 页号位数决定了每个段最大有几个页
  3. 页内偏移量决定了页面大小、内存块的大小

  在上述例子中，系统是按字节寻址的，则
  段号占16位，因此该系统中，每个进程最多有2¹⁶ = 64 K个段
  页号占4位，因此该系统中，每个段最多有2⁴ = 16页
  页内偏移量占12位，因此每个页面（内存块）大小为2¹² = 4096 = 4 KB

• 注意：“分段”对用户是可见的，程序员编程时需要显示地给出段号、段内地址。而将各段“分页”对用户时不可见的。系统会根据段内地址自动划分页号和页内偏移量。因此，段页式管理的地址结构是二维的。

3. 段表、页表

• 每段对应一个段表项，每个段表项由段号、页表长度、页表存放块号（用来计算页表存放起始地址）组成，每个段表项长度相同，段号是隐含的
• 每个页面对应一个页表项，每个页表项由页号、页面存放块号组成。每个页表项长度相同，页号是隐含的

如果要读取0号段

1. 首先在段表中查到0号段的页表在1号块中存放
2. 将2号块中的页表读出来
3. 在该页表中查到0号段的两个页面在k号块、n号块中存放
4. 故访问这两个内存块读取数据
5. 总结：
   1. 一个进程只会对应一个段表
   2. 每个段会对应一个页表
   3. 故一个进程会对应多个页表
      

4. 段页式如何实现地址变换

• 地址转换过程：
  1. 根据逻辑地址得到段号、页号、页内偏移量
  2. 比较段号与段表长度，判断段号是否越界中断，否则继续执行
  3. 查询段表，找到对应的段表项，段表项的存放地址为段表起始地址+段号 * 段表长度
  4. ⭐从段表项中得到该段号对应的页表长度、页表存放的块号，比较页号与页表长度，判断页号是否越界中断，否则继续执行
  5. 根据页表存放块号、页号，查询页表，找到对应的页表项
  6. 根据内存块号、页内偏移量得到最终的物理地址
  7. 访问目标内存单元
• 段页式管理同二级页表一样需要三次内存访问
• 也可以引入快表机构，用段号和页号作为查询快表的关键字。若快表命中，则仅需要一次访问内存