【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&＃xff08;类比分页&＃xff09;

• 进程的地址空间&＃xff1a;按照程序的自身逻辑关系划分为若干个段&＃xff0c;每个段都有一个段名&＃xff08;在低级语言中&＃xff0c;程序员使用段名来编程&＃xff09;&＃xff0c;每段从开始编址
• 内存分配规则&＃xff1a;以段为单位进行分配&＃xff0c;① 每个段在内存中占连续空间&＃xff0c;但② 各个段之间可以不相邻
• 由于是按逻辑功能模块划分&＃xff0c;用户编程更加方便&＃xff0c;程序的可读性更高
• 编译程序会将段名转换成段号&＃xff0c;CPU是根据段号区分段的
  
• 分段系统的逻辑地址结构&＃xff1a;
  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&＃xff08;类比页表&＃xff09;

• 程序分多个段&＃xff0c;各段离散地装入内存&＃xff0c;为了保证程序能正常运行&＃xff0c;就必须能从物理内存中找到各逻辑段的存放位置&＃xff0c;为此&＃xff0c;需要为每一个进程建立一张映射表&＃xff0c;简称“段表”
  

1. ⭐每个段对应一个段表项&＃xff0c;其中记录了该段在内存中的起始位置&＃xff08;又称“基址”&＃xff09;和段的长度
2. 确定段表项的长度&＃xff1a;
   1. 各个段表项的长度时相同的。例如&＃xff1a;某系统按字节寻址&＃xff0c;采用分段存储管理&＃xff0c;逻辑地址结构为&＃xff08;段号16位&＃xff0c;段内地址16位&＃xff09;&＃xff0c;因此&＃xff0c;① 采用16位即可以表示最大段长&＃xff08;由最大段内偏移量决定&＃xff09;。② 物理地址内存大小位4GB&＃xff08;可以用32位表示整个物理内存地址空间&＃xff09;
   2. 故可以让每个段表项占16&＃43;32&＃61;48位&＃xff0c;即6B
3. 由于段表项的长度相同&＃xff0c;所以可以隐藏段号&＃xff0c;不占存储空间&＃xff1a;若段表存放的起始地址位M&＃xff0c;则K号段表项的存放地址位 M &＃43; 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&＃xff0c;若S≥M&＃xff0c;则产生越界中断&＃xff0c;否则继续执行&＃xff08;注&＃xff1a;段表长度&＃xff08;段表项个数&＃xff09;至少是1&＃xff0c;段号从0开始&＃xff09;
3. 查询段表&＃xff0c;找到对应的段表项&＃xff0c;段表项的存放地址为F&＃43;S* 段表项长度
4. ⭐检查段内地址是否超过了段长C&＃xff0c;若W≥C&＃xff0c;则产生越界中断&＃xff0c;否则继续执行&＃xff08;与页式存储的区别之处&＃xff1a;因为段式存储中每个段长度不同&＃xff0c;需要检查&＃xff09;
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&＃xff0c;分页的主要目的是为了实现离散分配&＃xff0c;提高内存利用率
   2. 分页仅仅是系统管理上的需要&＃xff0c;完全是系统行为&＃xff0c;对用户是不可见的
   3. 页的大小式固定的&＃xff0c;且由系统决定
2. 段
   1. 是信息的逻辑单位&＃xff0c;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&＃xff0c;用户编程时需要显式地给出段名
   3. 段的长度不固定&＃xff0c;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&＃xff0c;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&＃xff0c;程序员在标识一个地址时&＃xff0c;既要给出段名&＃xff0c;也要给出段内地址

   ⭐理解&＃xff1a;
   1. 分页中&＃xff0c;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&＃xff0c;算出页号&＃xff1a;2049/1k&＃61;2&＃xff0c;则可算出该逻辑地址在2号页&＃xff0c;算出页内偏移量&＃xff1a;2049%1k&＃61;1&＃xff0c;故得出页内偏移量为1&＃xff0c;与页号结合便可得到相应的物理地址
   2. 而分段中&＃xff0c;每个段是根据逻辑模块划分的&＃xff0c;即每段的大小不可能是相同的&＃xff0c;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&＃xff0c;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&＃xff08;不属于临界资源&＃xff09;&＃xff0c;这样的代码是可以共享的。可修改的代码是不能共享的&＃xff08;比如&＃xff0c;有一个代码段中很多变量&＃xff0c;各进程并发地同时访问可能造成数据的不一致&＃xff09;
   2. 如下图中的绿色代码段&＃xff0c;只是简单的输出&＃xff0c;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&＃xff0c;同一个功能可能和其他功能的代码放在同一个页面中&＃xff0c;这样如果将页面全部共享&＃xff0c;则页面中其他不可以共享的代码也会变成共享&＃xff0c;这样是不允许的&＃xff08;页面不是按逻辑模块划分的&＃xff0c;页面中可能只有一部分是允许共享的&＃xff0c;故实现共享很困难&＃xff09;
      
6. 访问一个逻辑地址需要几次访存&＃xff1f;
   1. 分页&＃xff08;单级页表&＃xff09;&＃xff1a;第一次访存——查询内存的页表&＃xff0c;第二次访存——访问目标内存单元。总共两次访存
   2. 分段&＃xff1a;第一次访存——查内存中的段表&＃xff0c;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&＃xff0c;将近期访问过的段表项放到快表中&＃xff0c;这样可以少一次访问&＃xff0c;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&＃xff1a;
   1. 优点&＃xff1a; 内存空间利用率高&＃xff0c;不会产生外部碎片&＃xff0c;只会有少量的页内部碎片
   2. 缺点&＃xff1a;不方便按照逻辑模块实现信息的共享和保护
2. 分段管理&＃xff1a;
   1. 优点&＃xff1a;很方便按照逻辑模块实现信息的共享和保护
   2. 缺点&＃xff1a;如果段长过大&＃xff0c;为其分配很大的连续空间会很不方便。另外&＃xff0c;段式管理会产生外部碎片&＃xff08;分段管理中产生的外部碎片也是可以用“紧凑”技术来解决&＃xff0c;只是需要付出较大的时间代价&＃xff09;

2. 分段&＃43;分页的结合——段页式管理方式

• 将进程按逻辑模块分段&＃xff0c;再将各段分页&＃xff08;如每个页面4KB&＃xff09;&＃xff0c;再将内存空间分为大小相同的内存块&＃xff08;页框、页帧、物理快&＃xff09;&＃xff0c;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&＃xff08;段内偏移量&＃xff09;址组成。如&＃xff1a;
  
• 段页式系统的逻辑地址由段号、页号、页内地址&＃xff08;页内偏移量&＃xff09;组成。如&＃xff1a;
  
  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&＃xff0c;系统是按字节寻址的&＃xff0c;则
  段号占16位&＃xff0c;因此该系统中&＃xff0c;每个进程最多有2¹⁶ &＃61; 64 K个段
  页号占4位&＃xff0c;因此该系统中&＃xff0c;每个段最多有2⁴ &＃61; 16页
  页内偏移量占12位&＃xff0c;因此每个页面&＃xff08;内存块&＃xff09;大小为2¹² &＃61; 4096 &＃61; 4 KB

• 注意&＃xff1a;“分段”对用户是可见的&＃xff0c;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&＃xff0c;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&＃xff0c;每个段表项由段号、页表长度、页表存放块号&＃xff08;用来计算页表存放起始地址&＃xff09;组成&＃xff0c;每个段表项长度相同&＃xff0c;段号是隐含的
• 每个页面对应一个页表项&＃xff0c;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&＃xff0c;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&＃xff1a;
   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&＃xff1a;
  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&＃xff0c;判断段号是否越界中断&＃xff0c;否则继续执行
  3. 查询段表&＃xff0c;找到对应的段表项&＃xff0c;段表项的存放地址为段表起始地址&＃43;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&＃xff0c;比较页号与页表长度&＃xff0c;判断页号是否越界中断&＃xff0c;否则继续执行
  5. 根据页表存放块号、页号&＃xff0c;查询页表&＃xff0c;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&＃xff0c;用段号和页号作为查询快表的关键字。若快表命中&＃xff0c;则仅需要一次访问内存