基于分段、分页技术的虚拟内存技术

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我是靠谱客的博主忧郁红酒，最近开发中收集的这篇文章主要介绍基于分段、分页技术的虚拟内存技术，觉得挺不错的，现在分享给大家，希望可以做个参考。

概述

1、分段

段的定义：把程序与其相关的数据划分到几个段中，比如数据段、代码段和堆栈段。段的长度有限制，但是不要求所有程序的所有段长度都一样。

分段：一个程序的所有段被装入内存中时，同样不要求这些段是连续的。分段类似于动态分区，当段放入内存中时，系统会为这些段分配容量相等的内存空间，随着大小不同的段被放入内存，渐渐会产生外部碎片，即段外部的内存小碎片。如图，放了进程1、2、3之后内存剩余4MB，很难再放入其他段了，这就是外部碎片。

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段表：段表中的每一项表示一个段，由于段的长度可以不同，所以段表项不仅要给出这个段在内存中的起始位置，还要给出该段的长度。

地址转换：采用分段技术时的逻辑地址也是由段号和偏移量组成。以段号为索引，查找段表中的对应项，找到这个段的起始内存地址，再判断偏移量是否超出了该段的长度，超出则地址无效。物理地址就是该段的起始地址与偏移量之和。

2、分页

页的定义：内存被划分成大小固定、相等的块，且块比较小，每个进程也被划分成一个个这样的块，进程中的块称为页(page)，内存中的可用块称为页框(frame)，进程中的页可以被装载到内存的页框中（类似把照片放入相框）。

分页：每个进程占用独立的虚拟地址空间，进程的整个空间并不实际存放在内存中，内存一般只存储进程的一部分。操作系统以页的方式，将进程的一部分页面换入内存或者换出到外存。分页不存在外部碎片，进程在被划分成页时，仅进程的最后一页可能会出现未使用的空间，即内部碎片。

页表：一个进程的所有页在内存中可以不是连续存放的，操作系统为每个进程维护一个页表，页表中每一项代表一页，每个页表项指明该页对应的页框地址（物理地址）。

地址转换：逻辑地址是程序中的某个字相对于程序开始处的位置，采用分页技术时的逻辑地址是由页号和偏移量组成的，偏移量指的是这个字距离该页起始位置的偏移距离。通过地址翻译硬件和页表，可以将逻辑地址（页号，偏移量）转换为物理地址（页框号，偏移量），第4部分结合虚拟内存说明了逻辑地址的翻译方式。

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上图中，内存被划分成一个个页框，进程被划分成一个个页，图(b)将进程A装入内存，接下来装入进程B和C，换出进程B，图(f)装入进程D的时候，该进程的页没有被连续存放。

进程A的页表中每一项表示了该页对应的页框号，也就是该页在内存中的起始位置。

比较分段和分页：

原来的程序都是占用很长一段连续的内存，直接操作这个物理内存，对于编程比较麻烦。分段从程序执行的角度，把程序拆分成一个个模块，比如代码段、数据段、堆栈段等，这样进程在内存中的布局更加清晰。
分段提供程序的保护功能，段表中指示了段的长度，如果逻辑地址的偏移量超过了该段的长度，则会被限制访问。
分页建立在分段的基础上，继续把段内的内存进行划分，方便操作系统的管理，页对于用户是透明的。分页没有外部碎片，分段外部碎片比较多。

3、虚拟内存

由于进程只能在内存中执行，因此这个存储器称为实存。但用户或程序员可以感觉到的是一个更大的内存，分配在磁盘上，这就是虚拟内存。内存可以说是磁盘的高速缓存，任何时刻，任何一个进程只有一部分位于内存中，基于分段、分页技术，在需要的时候可以将进程的块（页或段）换入内存或者换出到磁盘，这样可以在内存中保留更多的进程。

局部性原理表明，在很短的时间内仅需使用进程的一部分块，因此虚拟内存方案是可行的。通过对将来要访问的块进行良好的预测，还可以减少块的频繁换入换出（“抖动”）。

4、地址翻译

采用虚拟内存技术时，所有的地址访问都是逻辑访问，在运行时转换为真实的物理地址。使用MMU(内存管理单元)中的地址翻译硬件和该进程的页表，可以将进程中某个字的逻辑地址转换为物理地址。

翻译过程：

CPU生成一个虚拟地址，0 ~ p-1位为页偏移，页的大小即 $2^p$ ，p ~ n-1位为虚拟页号，与页表索引相对应。

在页表中找到对应的行(页表条目)后，如果有效位为1，表示页面的内存中，可以使用页表条目的物理页号，物理页的偏移量与虚拟页的偏移量相对应。物理页号和物理页偏移量拼接成物理地址。

如果有效位为0，则表示页面不在内存中，也就是缺页了。此时会调用内核的缺页异常程序，该程序需要先淘汰内存中的一个页。页表项中另一个控制位是修改位，它表示这个页被装入内存后是否被修改过，如果被修改过则属于脏页，那么内核会将其写回磁盘，然后再淘汰它。接下来，内核从磁盘复制所需的页面到内存中，更新页表中的对应条目，随后返回。

当异常处理程序返回时，会重新启动导致缺页的指令，然后将原先那个导致缺页的虚拟地址重新进行翻译。此时，将会按照有效位为1进行后续处理。

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翻译后备缓冲区(Translation Lookaside Buffer, TLB)：很多系统，在MMU中加入了一个缓存页表条目的翻译后备缓冲区(TLB)，这样可以快速地获取页表条目，整个地址翻译步骤都是在硬件上完成，非常快。

虚拟内存与高速缓存交互：使用虚拟内存技术，获得某个字的物理地址后，首先查看高速缓存中是否存在包含这个字的块（页或段），如果有，则从高速缓存中取得，返回给CPU；如果没有，则老老实实从内存中取。

5、虚拟内存的内存管理

1）简化链接。操作系统为每个进程一个独立的虚拟地址空间。独立的地址空间允许每个进程的内存映像都使用相同的基本格式，不用管代码和数据实际存放在哪个物理位置。这样的操作简化链接器的设计和实现，允许链接器生成完全链接的可执行文件，这些可执行文件独立于最终的物理位置。

比如，linux系统上每个进程的内存格式基本类似，64位地址空间中，代码段都被放置在0x400000开始的位置，然后是数据段，高地址是栈空间，向下生长。

2）简化加载。要把可执行目标文件的代码和数据加载到一个新创建的进程中时，加载器无需从磁盘复制任何数据到内存中。实际上，linux加载器只为代码和数据段分配虚拟页，将页表条目的有效位设置为0(即未缓存到内存)，再指向磁盘目标文件中对应的.text节(存储代码)和.data节(存储数据)。虚拟操作系统在CPU取指令时会自动调入代码页，在某一指令要引用某个内存位置时自动调入数据页。

下图是一个可重定位的目标文件的基本格式。其中，.text包含编译完成的机器代码，.rodata包含只读数据，.data包含已初始化的全局和静态C变量（局部变量运行时保存在栈中），.bss包含未初始化的全局和静态C变量以及所有仅被初始化为0的全局或静态变量（在目标文件中未初始化变量不占用任何磁盘空间，运行时刻，这些变量的初始值都为0），.symtab包含一张符号表（存放了程序中定义和引用的函数和全局变量的信息），.rel.text包含一个.text节中位置的列表（在链接时，如果本模块调用了外部函数，需要修改这些位置），.rel.data包含了本模块引用或定义的所有全局变量的重定位信息（如果已初始化的全局变量，它的初始化值是一个全局变量地址或者外部定义函数的地址，都需要修改）。

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