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分段

1. 背景：简单内存管理的局限性

1.1 传统方式：基址/界限寄存器

  • 机制：将进程的整个地址空间加载到物理内存的一个连续区域。使用一对基址（Base）和界限（Bounds/Limit）寄存器进行地址转换和保护。
  • 优点：实现简单，支持进程重定位。
  • 缺点：
    • 内存浪费：进程虚拟地址空间中未使用的部分（特别是堆和栈之间的大量“空闲”区域）仍然占用物理内存。
    • 灵活性差：如果物理内存没有足够大的 连续 空间来容纳整个地址空间，即使总空闲内存足够，进程也无法运行。
    • 不支持稀疏地址空间：对于需要很大虚拟地址范围（如 32 位/4GB）但实际只使用其中一小部分（几 MB）的程序，效率极低。

1.2 核心问题

  • 如何在物理内存有限的情况下，高效支持 大且稀疏 的虚拟地址空间？

2. 分段 (Segmentation) 概念

2.1 核心思想

  • 不再将整个地址空间视为一个整体，而是将其划分为多个逻辑上独立的 段 (Segment)。
  • 典型的段包括：代码段 (Code)、堆段 (Heap)、栈段 (Stack)。
  • 每个段是虚拟地址空间内的一个 连续 区域，但各段在物理内存中 不必连续 存放。

2.2 硬件支持

  • MMU (内存管理单元) 中包含 多对 基址/界限寄存器，每一对 对应地址空间中的一个逻辑段。
  • 每个段寄存器对至少记录：
    • 基址 (Base)：该段在物理内存中的起始地址。
    • 界限/大小 (Limit/Size)：该段的长度。

2.3 主要优势

  • 节省物理内存：只有被实际使用的段才需要分配物理内存，虚拟地址空间中未使用的区域（如堆栈间隙）不再浪费物理内存。
  • 支持稀疏地址空间：即使虚拟地址空间很大，只要各段的总大小能被容纳，进程就能运行。
  • 灵活性：可以将不同段放置在物理内存的不同空闲区域。

3. 分段机制下的地址转换

3.1 识别段与段内偏移

  • 虚拟地址结构：虚拟地址需要能被解析成 (段标识, 段内偏移)。
  • 段标识方法：
    • 显式方法 (Explicit)：使用虚拟地址的高位比特来指定段。例如，14 位虚拟地址，前 2 位可以指定 4 个段（00=代码, 01=堆, 10=未使用, 11=栈）。
    • 隐式方法 (Implicit)：根据地址产生的方式来判断段。例如，PC 产生的地址属于代码段，栈指针相关的地址属于栈段，其他属于堆段。

3.2 地址转换步骤 (以显式方法为例)

  1. 从虚拟地址中提取 段标识符 (Segment Identifier)。
  2. 根据段标识符选择对应的 段寄存器对 (获取 Base 和 Limit)。
  3. 从虚拟地址中提取 段内偏移 (Offset)。
  4. 边界检查：检查 Offset 是否小于该段的 Limit (0 <= Offset < Limit)。
    • 若越界，则触发 段错误 (Segmentation Fault / Violation) 异常，通常导致进程终止。
  5. 计算物理地址：PhysicalAddress = Base[Segment] + Offset。
  6. 访问计算出的物理地址。

3.3 栈段的特殊处理

  • 问题：栈通常向下（向低地址方向）增长。
  • 硬件支持：段描述符中增加一个 方向位 (Direction Bit)，指示段是向上增长还是向下增长。
  • 地址转换调整：
    • 对于向下增长的段（如栈），偏移量的计算和边界检查需要调整。
    • 示例：假设栈段虚拟地址范围 14KB-16KB，物理基址 28KB，大小 2KB，向下增长。访问虚拟地址 15KB (二进制 11 1100 0000 0000)：
      1. 段标识 11 指向栈段。
      2. 原始偏移是 3KB (0x0C00)。
      3. 计算反向偏移：NegativeOffset = Offset - MaxSegmentSize = 3KB - 4KB = -1KB。
      4. 边界检查：abs(NegativeOffset) <= Limit (即 1KB <= 2KB，合法)。
      5. 计算物理地址：PhysicalAddress = Base + NegativeOffset = 28KB + (-1KB) = 27KB。

4. 分段的进阶特性

4.1 支持共享 (Sharing)

  • 动机：节省内存，允许多个进程共享相同的物理内存区域，特别是代码段。
  • 机制：为每个段增加 保护位 (Protection Bits)，如：
    • 读 (Read)
    • 写 (Write)
    • 执行 (Execute)
  • 实现：将代码段标记为“只读/可执行”。操作系统可以让多个进程的虚拟地址空间中的代码段映射到 同一块 物理内存。硬件在每次访问时检查权限，防止进程修改共享代码，保持隔离性。

4.2 分段粒度 (Granularity)

  • 粗粒度 (Coarse-grained)：地址空间划分为少数几个大段（如代码、堆、栈）。实现相对简单。
  • 细粒度 (Fine-grained)：地址空间划分为大量小段。
    • 需要更复杂的硬件支持（如内存中的 段表 (Segment Table)）。
    • 允许更精细的内存管理和共享。
    • 早期系统（如 Multics, Burroughs B5000）采用过，编译器可将代码和数据细分为多个段。

5. 操作系统对分段的支持与挑战

5.1 上下文切换 (Context Switching)

  • 操作系统需要在切换进程时 保存 即将暂停进程的 所有段寄存器 的状态，并 恢复 即将运行进程的段寄存器状态。

5.2 物理内存管理

  • 操作系统需要维护物理内存的空闲空间信息，并为新进程的段或现有段的增长找到合适的 空闲块。

5.3 外部碎片 (External Fragmentation)

  • 定义：随着段的分配和释放，物理内存中会产生许多 不连续 的、大小不一 的小空闲块。
  • 问题：即使总的空闲内存足够，也可能找不到一个足够大的 连续 空闲块来满足新的段分配请求。
  • 解决方案：
    • 内存紧缩 (Compaction)：移动物理内存中的现有段，使它们连续存放，从而合并小的空闲块形成一个大的连续空闲区。代价高昂（需要停止进程、大量内存拷贝、更新段基址）。
    • 空闲列表管理算法：使用特定算法（如 First-Fit, Best-Fit, Worst-Fit, Buddy System 等）来管理空闲块，试图减少碎片的产生或影响。
      • 没有完美算法：所有算法都只能 缓解 而不能完全 消除 外部碎片。存在多种算法本身就说明了没有绝对最优解。

6. 分段的总结与局限

6.1 优点 (Pros)

  • 高效利用物理内存：避免为虚拟地址空间中的未使用部分分配物理内存。
  • 支持稀疏地址空间。
  • 逻辑分段：代码、数据、栈的分离符合程序的逻辑结构。
  • 支持共享：通过保护机制可以方便地实现段（尤其是代码段）的共享。
  • 快速地址转换：硬件直接执行，开销小。

6.2 缺点 (Cons)

  • 外部碎片：最主要的问题，导致物理内存利用率下降，分配困难。
  • 段内稀疏问题：如果一个逻辑段本身很大但内部使用稀疏（例如一个大堆），分段机制仍然要求为整个段（可能的最大尺寸）找到连续或足够大的物理空间（取决于具体实现），无法解决段 内部 的稀疏性问题。
  • 段增长困难：如果一个段需要增长，可能没有相邻的空闲物理内存，需要移动段或寻找更大的空闲块。

6.3 结论

  • 分段是对基址/界限方法的重要改进，提高了内存效率和灵活性，并引入了共享的可能性。
  • 然而，外部碎片问题非常棘手，且其对稀疏性的支持粒度停留在段级别。
  • 这些局限性促使了内存管理技术向 分页 (Paging) 或 段页式结合 (Segmentation with Paging) 的方向发展，以求更好地解决内存碎片和支持任意粒度的稀疏地址空间。