页式内存管理

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页式内存管理

在操作系统中，页式内存管理是非常重要的内容，页式内存管理，引出了多任务程序设计的基础。

段式内存管理回顾

我们知道计算机上电之后，会实模式跳转到保护模式的。那么这个保护模式，是保护什么的？

这里的保护模式是保护内存段的，在X86处理器中内置的保护模式，一旦保护模式打开，那么某一段内存的访问就是受限的，这里的受限就是指受保护的。保护模式就是来保护一段连续的内存空间，这里的一段连续的内存空间，我们简称为段。

这里的"段"具体指什么？

一段连续的内存空间。

为什么会有段式内存管理

程序的各个部分相对独立(如：数据段，代码段)，代码段在运行的过程中会访问数据段，但是代码段和数据段时独立的。
早期X86处理器无法通过一个寄存器访问所有的内存单元
解决早期程序运行时的重定位问题

段式内存管理的应用

在X86系列处理器中，硬件对段式内存管理进行了直接支持。
另外，段式内存管理也可以使用纯软件实现。
核心：段首地址+段内偏移地址 = 内存单元地址

段式内存管理在C语言中的体现

数组的本质：一片连续的内存(段)
数组名(array)：数组的起始内存地址(段地址)
数组元素的访问：array[i] <--> *(array + i)
第i个元素的地址：array(段地址) + i(偏移地址)

操作系统中只使用段式内存管理是否足够？

软件硬件技术发展

硬件技术

计算机部件独立化(硬件接口相同，可以任意组装)
计算机配置差异化(各个部件硬件参数不同，如：内存容量)

软件技术

应用程序出来的问题越来越复杂(解决实际问题)
应用程序运行需要的资源越来越多(物理内存可能无法满足，所以就诞生了虚拟内存管理)

问题

应用程序规模越来越大，导致多数时候无法全部加载进内存，如何解决？

可行解决方案：按段加载(局部性原理)

不管应用程序规模多大，在某个很短的时间范围内存，程序总是在某个局部运行。
只将当前程序运行需要的段加载进内存。
当某个段不再需要使用，立即从内存中移除。

按断加载可能带来的问题

段的大小不确定，某些应用程序很复杂，可能一个段的大小就会大于实际的物理内存。有可能程序中的某一个局部的内存段就会大于实际的物理内存，那么这个局部的内存段就没有办法加载到内存中去，那么这个程序就没有办法运行了。
段加载时需要具体的长度信息，导致效率不高。

有更进一步的解决方案是，在段的基础上，进行分页。

更进一步的解决方案：内存分页

页指的是固定大小的内存片(4KB)
每一个内存段由多个页组成
页是进行内存管理的基本单位(加载页，换出页)

应用程序数据段、代码段、堆栈段是相对独立的。

每个段都是有各个页组成的

代码段在运行过程中，会去加载数据段的内容，也会去加载堆栈段的内容。

生活中“段页式”应用

大多数情况下，书都采用“段页式”的方法进行内容编排。

书是由一章一章组成的，一章一章不固定，然后一章一章是由页组成的。

章的大小不固定，就相当于程序中的段，页的大小固定，相当于程序中的页。

进阶虚拟存储技术

实模式下所使用的是什么地址空间？物理地址空间
保护模式下所使用的是什么地址空间？偏移地址(线性地址)空间，保护模式下，都是由段地址 + 段内偏移地址组成的
如何分离不同应用程序所使用的内存空间？提前分页规划好
程序运行需要的内存大于实际物理内存该怎么办？分页，按页加载

内存分页的意义

虚拟内存空间(逻辑地址)：程序执行时内部所使用的内存空间(独立于其他程序)

物理内存空间(物理地址)：物理机器所配置的实际内存空间(所有程序共享)

虚拟地址(逻辑地址)需要进行转换(内存映射)才能得到对应的物理地址。

这个转换(内存映射)是怎么进行的？