操作系统-段页式管理

[!cite] > 4.1 为什么要有虚拟内存？ | 小林coding

1. 分段 Segmentation

• 分段是最早时期提出的内存管理的方法之一，其所谓的“段”，是逻辑意义上的段，譬如“代码段”、“数据段”、“堆段”、“栈段”等等，每一个段，都对应逻辑意义上一个功能区域。
• 段内是连续的，但是段和段之间，并非连续，其概览如下图。

• 从虚拟地址到实际地址，段通过“段表”维护了虚拟内存和物理地址之间的映射。
• 换言之，通过段基地址和偏移量，就可以计算出具体的物理地址。

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• 分段的好处在于逻辑意义清晰，而且一定程度上确实实现了资源的隔离和硬件资源的访问控制
• 但是依然存在一些弱点，其比较显著的两大缺陷如下：
  1. 内存碎片的问题
  2. 内存交换的效率不足

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1.1 段式管理的内存碎片

• 内存碎片可以分成内部和外部两种，所谓内部碎片，就是碎片产生在连续内存空间的内部，外部碎片即碎片产生在连续内存空间的外部。
• 段式管理基本上不会产生内部碎片，但是其基于逻辑的划分方式，会导致外部碎片的产生，因为一段连续地址可能被段式管理分成很多截了，如果其中某一截回收，其他空间也无法连续。
• 其原理如下图所示

1.2 段式管理降低效率

• 为了解决内存碎片的问题，常见的策略就是使用 swap 来扩展逻辑意义上可以利用的内存空间。
• 但是段式管理，每次 swap 的都是一个很大的逻辑段，IO 的负担比较大，每次都要把一大块容量写到磁盘上，其效率自然不会高。

2. 分页管理 Paging

2.1 分页管理的基本思想

• 基本思想很简单：化整为零，不再做逻辑意义上的区分（有点类似于曹冲称象）
• 将整个内存空间，全部切分成原子化的单位（比如 Linux 系统就是 4KB 大小的内存块），然后将原子化的单位和逻辑意义上的地址做一一映射，形成所谓的“虚拟内存”。
• 那么，很显然，“物理地址-逻辑地址”这样的一个映射关系，总归是需要一个数据结构去维护它的。
• 其映射的方式就是页表。页表里面的一项，就维护了 4KB 的物理內存的放置。

2.2 页表的设计

2.2.1 内部碎片的产生

• 每个页表的项都是 4KB，它们的排列方式是紧密的，也就不存在外部碎片。
• 但是页表分配的单位是原子化的，即使空间的大小不足 4KB，也会按照 4KB 去做分配，因此会产生内部内存碎片。

2.2.2 按需引入的 Swap 策略

• 如果内存空间不足，和外部磁盘进行 Swap 的时候，不再和段式管理类似，将整个逻辑空间和外部进行交换。
• 程序在运行的时候，写到外部磁盘上面的只是几个页，不会占用过多的时间，因此，内存交换的效率比较高。

2.2.3 内存寻址方式

• 在分页机制下，虚拟地址分为两部分，页号和页内偏移。页号作为页表的索引，页表包含物理页每页所在物理内存的基地址，这个基地址与页内偏移的组合就形成了物理内存地址，见下图。

• 虚拟地址通过页号+页内偏移量组成，通过 页号 找到页表中对应的项，然后该项记录了物理页号，读取到物理页号之后，通过页内偏移量计算出实际的物理地址。
• 总结一下，对于一个内存地址转换，其实就是这样三个步骤：
  1. 把虚拟内存地址，切分成页号和偏移量；
  2. 根据页号，从页表里面，查询对应的物理页号；
  3. 直接拿物理页号，加上前面的偏移量，就得到了物理内存地址。

2.2.4 缺页中断

[[操作系统-缺页中断]]

2.2.5 多级页表：降低空间开销

2.2.5.1 单级页表的空间开销预估

• 操作系统为 32 位，页大小为 4KB，内存为 4GB
• 所谓 32 位，就是内存虚拟地址是由32个bit组成的，这 32 个 bit，需要存放页表号+偏移量。一般来说，单级页表需要 20 个 bit 去放置页表号。
• 物理内存一共 4GB，用 4KB 的原子化的块去映射，一共就是 1024 * 1024 个块，差不多 一百万 个块，每个块需要一个表项，那么表项需要占用 4个字节（1024*1024=2^20， 20 个字节用来存放物理页表号，剩下的存放一些额外信息），那么，至少需要 4 * 100 万的空间存放页表，也就是 大约4MB的空间专门用来放置页表。

2.2.5.2 多级页表如何解决空间

• 32bit 的内存地址当中，需要 20bit 放置页表号，但是如果将页表拆成多级的，其映射如下图所示

• 粗略计算一下，映射 4GB 的内存空间，需要 4KB 的一级页表空间，4MB 的二级页表空间。
• 看上去空间开销更大了。
• 但是，仅仅依靠 4KB 的一级页表，就可以覆盖全部的内存映射关系了，如果某个地址没有用到，就不必开二级页表去管理了，换言之，二级页表的空间开销是按需消费的。
• 比如物理内存用了 20%，那么一级页表 4KB，加上 4*0.2=0.8MB 大小的二级页表空间会被消费，那么，可以节约较多的空间。

2.2.5.3 64 位操作系统的4级页表

• 原理上和二级页表类似，只有全局页表目录需要加载，其他的页表目录都是按需引入的。

2.2.6 TLB 缓存加速

• 将常用的页表项放到一个更多的地方，那么，对于计算机而言，比内存还快的地方，就是 CPU 缓存了。

• TLB（Translation Lookaside Buffer） 又称快表，本质上就是常用页表项的 CPU缓存。

• 有了 TLB 后，那么 CPU 在寻址时，会先查 TLB，如果没找到，才会继续查常规的页表。

• TLB 的命中率其实是很高的，因为程序最常访问的页就那么几个。

3. 段页结合管理

3.1 优势

• 希望能够同时利用分段管理的逻辑性和分页管理的高效率。
• 便于后续的管理。降低成本的开销，同时提高了内存的利用率。

3.2 具体实现方式

• 先将程序划分为多个有逻辑意义的段，也就是前面提到的分段机制；
• 接着再把每个段划分为多个页，也就是对分段划分出来的连续空间，再划分固定大小的页；
• 地址结构就由段号、段内页号和页内位移三部分组成。

• 寻址方式如下：

1. 先读取虚拟地址当中的段号，通过段号找到具体的段
2. 在该段中，通过段内页号，找到具体的页
3. 通过页内偏移量，找到实际的物理地址