操作系统——内存管理——分段和分页
一、 物理地址和邏輯地址
物理地址：加載到內(nèi)存地址寄存器中的地址，內(nèi)存單元的真正地址。在前端總線上傳輸?shù)膬?nèi)存地址都是物理內(nèi)存地址，編號從0開始一直到可用物理內(nèi)存的最高端。這些數(shù)字被北橋(Nortbridge chip)映射到實際的內(nèi)存條上。物理地址是明確的、最終用在總線上的編號，不必轉(zhuǎn)換，不必分頁，也沒有特權(quán)級檢查(no translation, no paging, no privilege checks)。
邏輯地址：CPU所生成的地址。邏輯地址是內(nèi)部和編程使用的、并不唯一。例如，你在進行C語言指針編程中，可以讀取指針變量本身值(&操作)，實際上這個值就是邏輯地址，它是相對于你當(dāng)前進程數(shù)據(jù)段的地址（偏移地址），不和絕對物理地址相干。
為什么會有這兩種地址？
個人覺的原因在于邏輯地址分配更加靈活，可以允許不唯一，看起來也較為直觀，例如，一段代碼中分配數(shù)組，邏輯地址上是連續(xù)的，然而在物理地址上，這個數(shù)組所占用的頁可能分散開來，物理地址上就是不連續(xù)的，這樣對程序的可理解性上有影響。另外，有了邏輯地址這個概念，才能使用虛擬內(nèi)存技術(shù)。
2、 Paging，分頁內(nèi)存管理方案
2.1 分頁的最大作用就在于：使得進程的物理地址空間可以是非連續(xù)的。
物理內(nèi)存被劃分為一小塊一小塊，每塊被稱為幀(Frame)。分配內(nèi)存時，幀是分配時的最小單位，最少也要給一幀。在邏輯內(nèi)存中，與幀對應(yīng)的概念就是頁(Page)。
邏輯地址的表示方式是：前部分是頁碼后部分是頁偏移。
例如，已知邏輯空間地址為2^m 個字節(jié)（也就是說邏輯地址的長度是m位） ，已知頁大小是 2^n 字節(jié)。那么一共可以有2^(m-n)個頁。因此頁碼部分會占m-n位，之后的n位，用來存儲頁偏移。
舉個例子， 頁大小為4B，而邏輯內(nèi)存為32B（8頁），邏輯地址0的頁號為0，頁號0對應(yīng)幀5，因此邏輯地址映射為物理地址54+0=20。邏輯地址3映射物理地址54+3=23。邏輯地址13(4*3+1，頁號為3，偏移為1，因此幀號為2)，映射到物理地址9。
采用分頁技術(shù)不會產(chǎn)生外部碎片(內(nèi)存都被劃分為幀)，但可能產(chǎn)生內(nèi)部碎片(幀已經(jīng)是最小單元，因此幀內(nèi)部可能有空間沒有用到)。
按概率計算下來，每個進程平均可有半個幀大小的內(nèi)部碎片。
2.2 頁表的硬件實現(xiàn)
上一小節(jié)中寫到頁表是邏輯地址轉(zhuǎn)化到物理地址的關(guān)鍵所在。那么頁表如何存儲？
每個操作系統(tǒng)都有自己的方法來保存頁表。絕大多數(shù)都會為每個進程分配一個頁表。現(xiàn)在由于頁表都比較大，所以放在內(nèi)存中(以往是放在一組專用寄存器里)，其指針存在進程控制塊(PCB)里，當(dāng)進程被調(diào)度程序選中投入運行時，系統(tǒng)將其頁表指針從進程控制塊中取出并送入用戶寄存器中。隨后可以根據(jù)此首地址訪問頁表。
頁表的存儲方式是TBL(Translation look-aside buffer, 翻譯后備緩沖器)+內(nèi)存。TBL實際上是一組硬件緩沖所關(guān)聯(lián)的快速內(nèi)存。若沒有TBL，操作系統(tǒng)需要兩次內(nèi)存訪問來完成邏輯地址到物理地址的轉(zhuǎn)換，訪問頁表算一次，在頁表中查找算一次。TBL中存儲頁表中的一小部分條目，條目以鍵值對方式存儲。
2.3 頁表的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)
a.
今年是2013年，現(xiàn)有的筆記本電腦，內(nèi)存地址空間一般為2^32 字節(jié)以上。對于具有32位邏輯地址空間的計算機系統(tǒng)，如果系統(tǒng)的頁大小為4KB (2^12B) ，那么頁表可以擁有2^(32-12)個，也就是一百多萬個條目，假設(shè)每個條目占有4B，那每個進程都需要4MB的物理地址空間來存放頁表本身。而且，頁表本身需要分配在連續(xù)內(nèi)存中。
為此，Hierarchical Paging(層次化分頁)被提出，實際上就是將頁號分為兩部分，第一部分作為索引，第二部分作為頁號的偏移。
以一個4kb頁大小的32位系統(tǒng)為例。一個邏輯地址被分為20位的頁碼和12位的頁偏移。因為要對頁表進行再分頁，所以該頁號可分為10位的頁碼和10位的頁偏移。這樣一個邏輯地址就表示如下形式：
地址轉(zhuǎn)換過程如下：
地址由外向內(nèi)轉(zhuǎn)換，因此此方法也被稱為forward-mapped page table(向前映射表)。
b. Hashed Page Tables 哈希頁表
處理超過32位地址空間的常用方法是使用hashed page table(哈希頁表)，并以虛擬頁碼作為哈希值。哈希頁表的每一條目都包括一個鏈表的元素，這些元素哈希成同一位置。每個元素有三個域：虛擬頁碼，所映射的幀號，指向鏈表中下一個元素的指針。
個人看來，哈希頁表的地址轉(zhuǎn)換方式，實際上是Chaining(鏈接)方式，也就是一種哈希函數(shù)的溢出處理方式(另一種溢出處理方式叫做Open Addressing，開放尋址)，具體過程如下：
邏輯地址需要大于32bit的地址空間來表示，但是操作系統(tǒng)仍只有32bit來表示地址。此時人們便想到虛擬頁地址，虛擬地址可以在32bit表示范圍之內(nèi)，然后利用哈希函數(shù)完成邏輯地址到虛擬地址的映射，由于虛擬地址更少，哈希函數(shù)會出現(xiàn)溢出，這里使用Chaining來解決溢出。
邏輯地址中的頁號(下圖中的p)經(jīng)過哈希函數(shù)的計算，算出虛擬地址中的頁號，根據(jù)虛擬頁號可以在哈希表中以O(shè)(1)方式尋址，用p與鏈表中的每一個元素的第一個域相比較。如果匹配，那么相應(yīng)的幀號就用來形成物理地址。如果不匹配，就對鏈表中的下一個節(jié)點進行比較，以尋找一個匹配的頁號。
c. Inverted page table 反向頁表
時間關(guān)系，這段暫時略過。
三、 Segmentation，分段內(nèi)存管理方案
采用分頁內(nèi)存管理有一個不可避免的問題：用戶視角的內(nèi)存和實際內(nèi)存的分離。設(shè)想一段main函數(shù)代碼，里面包含Sqrt函數(shù)的調(diào)用。按照編寫者的理解，這段代碼運行時，操作系統(tǒng)應(yīng)該分配內(nèi)存給：符號表(編譯時使用)，棧(存放局部變量與函數(shù)參數(shù)值)，Sqrt代碼段，主函數(shù)代碼段等。這樣，編寫者就可以方便地指出：“函數(shù)sqrt內(nèi)存模塊的第五條指令”，來定位一個元素。而實際上，由于采用Paging的管理方式，所有的一切都只是散落在物理內(nèi)存中的各個幀上，并不是以編寫者的理解來劃分模塊。
Segmentation的內(nèi)存管理方式可以支持這種思路。邏輯地址空間由一組段組成。每個段都有名字和長度。地址指定了段名稱和段內(nèi)偏移。因此用戶通過兩個量來指定地址：段名稱和偏移。段是編號的，通過段號而非段名稱來引用。因此邏輯地址由有序?qū)?gòu)成：
<segment-number,offset>(<段號s, 段內(nèi)偏移d>)
段偏移d因該在0和段界限之間，如果合法，那么就與基地址相加而得到所需字節(jié)在物理內(nèi)存中的地址。因此段表是一組基地址和界限寄存器對。
例如下圖，有5個段，編號0~4，例如段2為400B開始于位置4300，對段2第53字節(jié)的引用映射成位置4300+53=4353。而段0字節(jié)1222的引用則會觸發(fā)地址錯誤，因為該段的僅為1000B長(界限為1000)。
4、 合并分段和分頁的管理方案
在現(xiàn)有的Intel兼容計算機(x86)上，采用的內(nèi)存管理方案是分段和分頁合并的管理方案。
在這個方案中，邏輯地址，如前一節(jié)中所說，是由一個段標(biāo)識符加上一個指定段內(nèi)相對地址的偏移量，表示為 [段標(biāo)識符：段內(nèi)偏移量]。
這樣的邏輯地址轉(zhuǎn)換的過程是怎樣呢？如下圖所示：
當(dāng)CPU要執(zhí)行一條引用了內(nèi)存地址的指令時，轉(zhuǎn)換過程就開始了。第一步是把邏輯地址轉(zhuǎn)換成線性地址。但是，為什么不跳過這一步，而讓軟件直接使用線性地址（或物理地址呢？）原因主要是因為：
(1) Intel的更新是漸進式而非革命式，新的處理器需要兼容和保留過往的設(shè)置。具體的原因，博文Memory Translation and Segmentation (http://blog.csdn.net/drshenlei/article/details/4261909) 中講的較為清楚。
(2) 如上節(jié)所說，采用段內(nèi)存管理，可以跟方便地進行地址保護(同一類型的地址邏輯地址在一起)。
下面講邏輯地址到線性地址的部分。
在IBM OS/2 32位版本的操作系統(tǒng)，和Intel 386的環(huán)境下。操作系統(tǒng)采用的內(nèi)存分配方式就是分段和分頁合并的方式。
邏輯地址的實際上是一對<選擇符，偏移>。
選擇符的內(nèi)容如下：
從左開始，13位是索引(或者稱為段號)，通過這個索引，可以定位到段描述符(segment descriptor)，而段描述符是可以真正記載了有關(guān)一個段的位置和大小信息， 以及訪問控制的狀態(tài)信息。段描述符一般由8個字節(jié)組成。由于8B較大，而Intel為了保持向后兼容，將段寄存器仍然規(guī)定為16-bit(盡管每個段寄存器事實上有一個64-bit長的不可見部分，但對于程序員來說，段寄存器就是16-bit的)，那么很明顯，我們無法通過16-bit長度的段寄存器來直接引用64-bit的段描述符。因此在邏輯地址中，只用13bit記錄其索引。而真正的段描述符，被放于數(shù)組之中。
這個內(nèi)存中的數(shù)組就叫做GDT(Global Descriptor Table，全局描述表)，Intel的設(shè)計者門提供了一個寄存器GDTR用來存放GDT的入口地址。程序員將GDT設(shè)定在內(nèi)存中某個位置之后，可以通過LGDT指令將GDT的入口地址裝入此寄存器，從此以后，CPU就根據(jù)此寄存器中的內(nèi)容作為GDT的入口來訪問GDT了。
除了GDT之外，還有LDT(Local Descriptor Table，本地描述表)，但與GDT不同的是，LDT在系統(tǒng)中可以存在多個，每個進程可以擁有自己的LDT。LDT的內(nèi)存地址在LDTR寄存器中。
在之前圖中的TI位，就是用來表示此索引所指向的段描述符是存于全局描述表中，還是本地描述表中。=0，表示用GDT，=1表示用LDT。
RPL位，占2bit，是保護信息位，還沒有仔細了解過這一塊，暫時先不寫。
找到，段描述符后，加上偏移量，便是線性地址。轉(zhuǎn)換過程如下：
在Intel 386的環(huán)境下，線性地址轉(zhuǎn)換為物理地址的過程，和第二節(jié)分頁式內(nèi)存管理中，層次分頁中，邏輯地址轉(zhuǎn)換為物理地址的方法類似。如下圖。
Intel 80386的地址轉(zhuǎn)換全過程如下圖：
本文來自：https://www.cnblogs.com/felixfang/p/3420462.html
總結(jié)
以上是生活随笔為你收集整理的操作系统——内存管理——分段和分页的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。
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