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【程序员的自我修养】从分段机制到分页机制

2014-03-10

操作系统的多任务性使得CPU在多个进程之间共享,从进程的角度来看,就是一个进程独占一个CPU,IO抽象模型也很好地实现了IO设备的共享,那么内存的分配与共享就交给虚拟存储器来管理了。 早期计算

操作系统的多任务性使得CPU在多个进程之间共享,从进程的角度来看,就是一个进程独占一个CPU,IO抽象模型也很好地实现了IO设备的共享,那么内存的分配与共享就交给虚拟存储器来管理了。

早期计算机中,程序是直接运行在物理内存上的,就是程序运行时访问的都是PA(物理地址),我们必须同时在内存中运行多个程序,那么有限的RAM空间如何分配呢?直接分配的策略有如下问题:

1:地址空间不隔离,所有程序直接访问PA,内存空间没有隔离,恶意修改数据有可能造成安全问题。

2:内存使用率低下,程序之间换进换出(RAM和Disk之间),因为这里还没有分段和分页机制。

3:程序运行的地址不确定。

解决这些问题:

首先引入虚拟地址的概念,把程序给出的地址看成是VA(虚拟地址),通过映射机制(MMU+paging)把VA翻译成PA,这样只需管理这个VA到PA的映射过程就可以保证程序之间的PA区域不会重叠。

每个进程都有自己独立的VA空间,每个进程只能访问自己的虚拟地址空间,这样做到进程隔离。

分段(segmentation)

程序所需要的内存空间大小的虚拟空间映射到每个物理地址空间中,一一映射,它能解决隔离问题,不同的物理地址空间,但是分段没有解决内存使用率低下的问题,分段对内存区域的映射是按照程序为单位的,如果内存不足,被换入换出到磁盘的都是整个程序,造成大量的磁盘访问,粒度较大。根据程序的局部性原理,一个程序运行时,在某个时间段内,它只是频繁使用到了一部分数据和指令,更小粒度的内存分割和映射方法---->分页机制。提高内存使用率。

分页(paging)

我们可以把进程的虚拟地址空间按页分割,一般一个page的大小为4KB或者8KB,把常用的数据和代码装载到RAM中,把不常用的代码和数据保存在Disk中,等到需要使用的时候通过page fault调入RAM,这时候如果没有空闲的页,那么会使用页面替换算法牺牲一个页来覆盖(LRU最近最少使用算法)。

通过页映射机制,可以保存程序数据,我们可以给每个页设置权限属性(一些标志位)来控制该页的访问权限(内核还是用户)还有RWX权限等。分页需要MMU硬件单元,该单元集成在CPU内部。


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