内存管理(二)——内存分段

前言

上一篇讲了连续型分配，这篇开始介绍非连续型分配，也是现代操作系统所使用的内存分配方式。首先从内存分段开始。

分段管理

在内存分段管理中，程序是由若干个逻辑分段组成的，如可由代码分段、数据分段、栈段、堆段组成。不同的段是有不同的属性的，所以就用分段（Segmentation）的形式把这些段分离出来。

分段机制下的虚拟地址由两部分组成，段选择符和段内偏移量。

• 段选择符就保存在段寄存器里面。段表里面保存的是段描述符，包括这个段基地址、段界限和特权等级等。
• 虚拟地址中的段内偏移量应该位于 0 和段界限之间，如果段内偏移量是合法的，就将段基地址加上段内偏移量得到物理内存地址。

段选择符

段选择符包括 3 个字段的内容：

• 请求特权级 RPL（[0:1]）：任务中的每一个段都有一个特定的级别。当一个程序试图访问某一个段时，就将该程序所拥有的特权级与要访问的特权级进行比较，以决定能否访问该段。系统约定，CPU 只能访问同一特权级或较低特权级的段。
• 表指引标志 TI（[2]）：TI = 0 ，表示描述符在 GDT 中；TI = 1，表示描述符在 LDT 中。
• 索引值：给出了描述符在 GDT 或 LDT 中的索引项号。

段描述符

进程的逻辑地址空间分为两部分，第一部为进程私有，该部分信息存储在局部描述符表（Local Descriptor Table，LDT），第二部分为所有进程所共享，该部分信息存储在全局描述符表（Global Descriptor Table，GDT）。

GDT 和 LDT 都是存储在内存当中的，但是 CPU 中有 GDTR 和 LDTR 两种寄存器，用来存储两者的入口位置。一个处理器只有一张 GDT，而每个任务都有一张 LDT，LDT 是嵌套在 GDT 中的。GDTR 中存放的是 GDT 在内存中的基地址和其表长界限（描述符）。LDTR 的内容是一个段选择子，用于记录 LDT 的起始位置。

访问 GDT

1. 先从 GDTR 中获得 GDT 基址。
2. 然后在 GDT 中以段选择器高 13 位位置索引值得到段描述符。
3. 段描述符符包含段的基址、限长、优先级等各种属性，这就得到了段的起始地址（基址），再以基址加上偏移地址就能得到最后的线性地址。

访问 LDT

1. 先从 GDTR 中获得 GDT 基址。
2. 再从 LDTR 中获取 LDT 所在段的位置索引（LDTR 高 13 位）。
3. 以这个位置索引在 GDT 中得到 LDT 段描述符从而得到 LDT 段基址。
4. 用段选择器高 13 位位置索引值从 LDT 段中得到段描述符。
5. 段描述符符包含段的基址、限长、优先级等各种属性，这就得到了段的起始地址（基址），再以基址加上偏移地址就能得到最后的线性地址。

优点：

• 每个逻辑单元可以单独占用一个虚拟地址空间。
• 按逻辑关系划分，方便共享和保护。
• 对于空间稀疏的程序来说，分段管理将节省大量的空间。

缺点：

• 存在外部内存碎片问题。可以通过改变段的大小消除内部碎片，但是段换入换出时仍然会产生外部碎片。

可以用过内存交换的方式解决外部内存碎片的问题，但是会产生性能瓶颈。因为硬盘的访问速度要比内存慢太多了，每一次内存交换，都需要把一大段连续的内存数据写到硬盘上。

交换技术

Swapping，以进程为交换的单位，需要把进程的整个地址空间换入换出，增加了处理器的开销。

• 可将暂时不能运行的程序送到外存 ，从而获得空闲内存空间；
• 操作系统把一个进程的整个地址空间的内存保存到外存中（换出 swap out），而将外存中的某个进程的地址空间读入到内存中（换入 swap in）。换入换出内容的大小为整个程序的地址空间。

缺点：

• 以整个进程为单位进行交换，交换的开销很大。

总结

内存分段是将程序按照逻辑分成多个不同的段，再给每个段分配各自的物理空间，在使用逻辑地址时，通过段表映射到相应的物理段进行使用。其中，段表分为全局描述表和局部描述表，再通过寄存器来存储表的开始地址。

因为各个分段的大小不同，所以在换入换出的过程中会产生外部碎片，可以通过交换的方式清除这些外部碎片，但是由于是以整个进程为单位进行交换，所以开销非常大。