[操作系统] 内存管理策略：页式、段式、段页式

本文内容参考自《操作系统概念第七版》、《操作系统精髓与设计原理 原书第六版》

前言

页式

• 分页的硬件支持

CPU生成的每个地址分为两个部分：页号（p）和页偏移（d）。页号作为页表中的索引。页表中包含每页所在物理内存的基地址，这些基地址与页偏移的组合就形成的物理地址，就可交送给物理单元。

• 内存的页模型

页大小是由硬件决定的，通常为2的幂。选择页的大小为2的幂可以方便地将逻辑地址转换为页号和页偏移。如果逻辑地址空间为2^m，且页大小为2^n，那么逻辑地址的高m-n位表示页号，而低n位表示页偏移。这样，逻辑地址可以表示为：

• 举例说明页和帧（页框）的用法：

采用分页技术不会产生外部碎片，因为每个帧都可以分配给需要它的进程，不过分页有可能产生内部碎片，因为进程所需要的内存可能不是页的整数倍，那么最后一个帧就可能用不完。举个栗子更好说明~

页大小为2048B，一个大小为72776B的进程需要35个页和1086B，该进程就会得到36个帧，因此就有2048-1086=962B的内部碎片，最坏情况下，一个需要n页再加上1B的进程，需要分配n+1个帧，这样就几乎产生了一整个帧的碎片。

段式

采用分页内存管理有一个不可避免的问题：用户视角的内存和实际物理内存的分离。用户通常更愿意将内存看做是一组不同长度的段的集合，这些段之间并没有一定的顺序，如下图：

分段就是支持这种用户视角的内容管理方案，逻辑空间由一组段组成，每个段有自己的名称和长度。在段式管理策略中，地址指定了段号和段内偏移，因此用户通过两个量来指定地址：段号+偏移

• 分段的硬件支持

• 内存的段模型

每个进程通过维护一个段表来管理段式内存，系统也会维护一个内存中的空闲段列表，如上图所示，每个段表必须给出相应的段在内存中的起始地址，还必须指明段的长度，以确保不会使用无效的地址。

页式和段式的异同

• 页式和段式管理策略都不会产生外部碎片，但都有可能产生内部碎片
• 页的大小是统一的，而段的大小是可变的
• 采用分页会导致用户视角的内存和实际内存的分离，即使用户视角的内存和实际物理内存不一样，而分段正好可以支持用户视角，使用户视角的内存和实际物理内存分布保持一致
• 分页对程序员来说是透明的，用户指定一个地址，该地址通过硬件分为页码和偏移，这些程序员是看不见的；而分段对程序员来说通常是可见的，用户通过两个量：段号和偏移来指定地址，这两个量作为组织程序和数据的一种方便手段提供给程序员，程序员可以通过这两个量把程序和数据指定到不同的段（程序员必须清楚段的最大长度）