关于操作系统内存管理”内存分段”的详细解析
本篇内容主要依据“Operating Systems: Three Easy Pieces”的第16章进行整理。
操作系统与内存分段的引子
在上一篇中，我们了解了如何通过base/bounds寄存器将进程安置在可用的物理地址内，使进程误以为自己独享了整个内存空间。但这种方式在堆和栈之间存在未使用的空白区域，不仅造成内存浪费，还可能使进程因找不到足够大的内存空间而受阻。
内存分段的必要性
为了解决这些问题，内存虚拟化技术引入了内存分段。这意味着将进程的代码、堆、栈等部分作为独立段进行管理。
内存分段的实现方式
通过额外增加base/bounds寄存器的方式，可以将进程的地址空间划分为三段：代码段、堆和栈。这样，每段都有其对应的基地址和界地址，从而更有效地利用内存空间。
内存分段带来的新问题
A. 如何确定虚拟地址所属的段？
在内存分段机制中，硬件需要知道给定的虚拟地址属于哪个段，以便使用正确的base/bounds寄存器进行地址翻译。这通常可以通过显式或隐式的方法实现。
B. 如何处理地址的反向增长？
对于如栈这样地址反向增长的区域，操作系统需要硬件MMU的协助来处理地址的翻译和增长方向的问题。
代码段的共享与保护
内存分段技术允许不同进程共享某些内存段，比如常用的代码段。为了安全起见，系统会为每个段设置内存保护的标志位，例如只读或可读可写。
操作系统的挑战与角色
虽然内存分段技术解决了部分问题，但它也带来了新的挑战。例如，在进程上下文切换时，操作系统需要保存更多的信息。维护可用的内存空间列表也是一个重要且困难的任务。
面对日益增多的进程和不断变化的内存需求，操作系统必须寻找足够的内存区域来放置各个进程的段。随着分段的进行，会产生外部碎片问题，即物理内存中大量的“洞”。
解决外部碎片的策略
为了解决外部碎片问题，操作系统可以采用多种策略。包括定期压缩整理碎片、维护可用内存列表并采用不同的查找算法等。
尽管如此，没有任何一种方法能完美地解决外部碎片问题，这些策略只能在一定程度上缓解碎片化的问题。
总结与展望
内存分段技术为操作系统提供了一种管理进程地址空间的有效方式。它不仅解决了部分空间浪费的问题，还使得代码段共享成为可能。但它也引入了新的问题和挑战。