操作系统——内存段式和段页式管理

一、为什么要有段式管理？

二、段式管理的实现原理

1、段式虚拟空间

2、段式管理的内存分配与释放

3、段式管理的地址变换

（1）段表

（2）动态地址变换

4、段的共享与保护

（1）共享

（2）保护

四、段式管理的优缺点

五、段页式管理

1、为什么会有段页式管理？

2、段页式管理的实现原理

（1）虚拟地址的构成

（2）段表和页表

3、动态地址变换

一、为什么要有段式管理？

我们的程序在很多时候是需要共享的
例如我们写的头文件的代码就需要被其他文件共享
同时，一个开放文件的函数方法，也很可能要被其他文件调用
于是，这就提出了对程序和数据进行分享的要求
为了支持共享的需求，需要对内存采用特殊的管理方式
那么应该采取什么方式？
首先想到的是先前学到的分区式管理和页式管理
但是对这两种内存管理方式来说
很难实现程序和数据共享
为什么？
一、对分区式管理来说：
对于该种方法，内存分配的最小单位是一整个分区块
一整个进程的程序和数据都放在一个分区块中
共享只能对一整块进行共享，而不可能再进行分割
但是这是不现实的，不可能让某个进程的所有程序和数据都暴露

二、对页式管理来说：
内存分配的最小单位是页
似乎可以进行共享，例如把某几页共享出去
但是，也不现实
为什么
因为，一个完整的执行逻辑，可能程序和数据在不同页中
而且不同页的那个地方，也是不清楚的
因此，页式管理对程序和数据的共享也无法实现

综上，旧有的内存管理方式无法支持
如何？
只能寻求新的管理方式
于是，基于此，段页式管理应运而生
同时，段式管理的出发点，
就是以功能完整的逻辑段作为单位进行划分

二、段式管理的实现原理

1、段式虚拟空间

一个进程的虚拟空间为二维：段号s + 段内地址w
段号之间没有顺序管理（不同于页式的页号式有顺序的一维度结构）
段的长度不同，根据逻辑功能完整的程序和数据进行划分
例如：
一个进程的程序和数据被划分为：
程序段、子程序段、数据段和工作区

每个段是一个首地址为0的、连续的一维线性空间
根据需要，段的长度可以动态调整
对段式虚拟地址的访问包括两个部分：段名 + 段内地址

2、段式管理的内存分配与释放

以段为单位分配内存，每段是一个连续的内存区
同一进程所包含的各段之间不要求连续

进程申请段内存时，有两种情况：
（1）进程要调入某段，内存空闲区足够
（2）进程要调入某段，内存空闲区不够

对（1）：够用
采用和分区式动态管理方法一样：
用申请表、可用表 / 自由链进行管理
不同分区组织方式
对应不同的分配算法可用：最佳、最先、最坏算法
回收方法也一样，对回收段修改状态，加入可用表

对（2）：不够用
此时就要对内存中某些块进行置换
置换哪些？
同样，可依照动态分区式管理方法：
FCFS算法、LRU算法（最近最久未用）等
一般来说，有时候需要调入的段比较大
可能需要置换出不止一个段

对于释放，参考分区式管理的释放

注意：任何一个段的的段长都不可以超过内存可用区长度

3、段式管理的地址变换

段式虚拟空间的机制是部分程序和数据在内存中
大部分程序和数据保存在外存中
因此，在进程执行时，如果待执行的段不再在内存
此时，中断进程，调入相关段

可是，CPU如何知道某个段不在内存中呢？
很简单，对每个段是否在内存中设置一个状态即可
可见，对段的调入和调出内存是需要额外的数据结构支持的
例如段表

（1）段表

逻辑格式如图所示：

始址：该段在内存 / 外存的实际物理地址
长度：该段的长度
存取方式：对该段进行保护，只有访问的控制状态字和该字段一致才可访问
内外：指明该段存在内存还是外存中
访问位：为置换算法设置，例如淘汰没有被访问 / 访问次数最少的段
段表有一个段表寄存器
段表放在哪里？
一般放在内存一个固定的区域

（2）动态地址变换

CPU执行进程的全部访问过程：
当进程开始执行时：
第一步、把段表开始地址放入段表地址寄存器
第二步、访问段表地址寄存器，得知从哪里访问段表
第三步、根据虚地址中的段号，查段表
第四步、检查存取状态字，判断是否可以访问
第五步、如果可以访问，从段表中查到对应项目，拿出该段的内存起始地址
和段内相对地址w相加，得到实际内存地址

某段内存地址 = 该段内存始址 + 段内相对地址

段式地址变换需要对内存访问两次：
第一次，访问段表计算程序 / 数据物理地址
第二次，根据计算得到的地址，去实际访问数据