浅谈内存管理中的分页和分段

内存管理的必要性

• 很早之前计算机只能运行单个进程，就算运行批处理程序，也是棑好对，一个一个的进行处理，不存在多个进程并发运行，这时候内核对于内存管理相对比较简单，直接把物理内存地址拿过来是使用即可。
• 随着计算机演进，支持多进程的OS,多个进程都都使用同一个物理地址空间，很容易多个进程之间相互干扰而引起进程的不可预期的行为。为了解决这个问题，CPU中的MMU(内存管理单元)引入了虚拟地址空间。以32位操作系统经为例，每个进程都可以拥有4G的寻址空间，当进程需要内存时候，通过转换技术和虚拟地址进行关联。MMU通过分页的机制，提供进程的虚拟地址到物理地址的映射方法。段页机制是MMU机制提供，Linux内核是使用者。

MMU的内存管理机制

• 在x86体系结构下CPU对内存寻址都是通过分段和分页方式进行，在保护模式下，一个段的可以理解为基地址+段的界线+类型。进程的虚拟地址就是在段中的偏移量;线性地址就是在某个段中基地址+偏移地址得出的地址;在x86中MMU提供了分页机制,如果未开启，那么线性地址就是物理地址;反之需要经过分页机制换算后，线性地址才能转为物理地址。MMU对于内存的管理主要是分段和分页,CPU把生成的逻辑地址交给MMU内的分段单元，分段单元为每个逻辑地址生成一个线性地址，然后再将线性地址交给MMU的分页单元，最终生成物理内存的地址。

分段和分页机制

• 每个逻辑地址由两部份组成，段标识符: 段内偏移量。段标识符是由一个16位长的字段组成，称为段选择符。其中前13位是一个索引号。后面3位包含一些硬件细节，段的起始地址，段的长度，段的访问权限等，都会保存在段描述表中。
• 在x86体系结构中，MMU支持多级分页模型，一般分为三种情况;第一种,32位系统中则是两级分页模型;如果在32位系统中开启了PAE(物理地址扩展模式)，则为三级分页模型;在64位系统中则为四级分页模型。80x86的分页机制是由CR0寄存器中的PG位开启，如果PG=1则开启分页机制，把线性地址转为物理地址;如果PG=0,禁用分页机制，直接把分段单元产生的线性地址当做物理地址使用。
• 32位或者64位系统的逻辑地址中，经过分段单元，把逻辑地址转换为线性地址，在由分页单元,根据这个地址去查找对应多级页目录，根据页目录查找页表，最终得到物理地址。
  • 页表

  

  • 虚拟地址和物理地址映射关系