OS复习笔记ch7-2

页式管理

学过计组的同学都了解一点页式管理，就是将内存划分成较小的、大小固定的、等大的块。现在OS引入了进程的概念，那么为了匹配内存的分块，同样把进程也划分成同样大小的块。

这里区分两个概念

• The chunks of a process are called pages→进程划分的块称为页
• The chunks of memory are called frames/ page frames→内存划分的块叫做页框(物理页面、页帧)
  从语义去分析页和页框的区别和联系，把进程加载到内存，相当于把页放到页框中

在组原的课程当中我们知道逻辑地址包括页号和页内偏移量，有以下两个基本公式：

• 页号=逻辑地址/页面大小
• 偏移量=逻辑地址%页面大小
  看一下这个例子
  
  按照我们之前的分区和分页的概念，假设用户空间大小是2700B，访问地址是十进制的1502。按照分区的思想如图a所示访问，按照分页思想如图b所示。

一般来说，页面大小都是2的整数次幂，可以直接通过位运算得到结果。比如，页大小是1K = 2^10，那么偏移量 = 逻辑地址%页面大小 ，也就是逻辑地址后10位，前面的6位就是页号。

下标从0开始，所以page1是从上往下数第二个页面，即从1024开始到2047结束，然后偏移量offset=478是针对于1024的基地址的相对位移。

最后我们可以看到，图b在最下面有一段内部碎片，就是page2中不会使用到的区域，但是为了分页必须要分配。

分页的特点

• 没有外碎片，每个内碎片不超过页大小
• 一个程序不必连续存放（支持虚拟存储）
• 便于改变程序占用空间的大小
• 简单分页，程序全部装入内存
• 不易实现共享
• 不便于动态连接

页表

为了便于管理进程，操作系统为每个进程维护一张页表，包含进程的每个页面所对应的页框位置(号)，即逻辑地址和物理地址的映射关系。

如图所示，OS给A、C、D进程分配了页框，其中A是连续的0-3，而C是连续的7-10，D比较特殊是4-6+11-12，空闲13-14。由于会出现像D这种分配的页框不连续的情况，所以就必须使用页表专门记录。

接下来说一下，地址映射关系和存储保护机制

如图所示，页表开始地址b放在页表始址寄存器，类似于基址寄存器。页表长度l放在页表长度寄存器，防止地址越界。
根据图示，地址映射关系可以按以下步骤描述：
第一步：比较运算

• 将逻辑地址对应的页号p与 l 进行比较（比较条件为 P >= l），这决定了数据流向哪个分支，如果为真则地址越界抛出异常，反之进行下一步。
  第二步：加法运算
• 页表始址 b 和页号 p 通过b+p*页表项长度查询页表，得到的结果p'就是所在页框的物理起始地址。
  第三步：输出映射
• 在右侧分支，p' 和 d 直接结合作为输出，得到真实的物理地址。
  注：之所以p=l也被视为是地址越界，因为我们的下标默认都是从0开始，所以页号最大是l-1，等于l也是非法的，实际写过代码的同学会比较熟悉。

段式管理

类似进程的管理，我们的程序在逻辑上也可以分开，也就是我们常说的分段管理，比如代码段、数据段等。段式管理中一般段长可变，但是有最大段长。
段式地址有两个部分构成，和页式管理类似

• a segment number 段号
• an offset 段内偏移量
  
  回到我们之前看的这个例子，如图c采用段式存储，每一个段长度不一，偏移量指的是相对于每个段的起始地址。

接下来我们了解一下段式存储的内存划分和分配：

• 内存划分：内存空间被动态的划分为若干个长度不相同的区域，这些区域被称为物理段，每个物理段由起始地址和长度确定
• 内存分配：以段为单位分配内存，每一个段在内存中占据连续空间，但各段之间可以不连续存放

分析：

• 没有内碎片，外碎片可以通过内存压缩来消除
• 一个程序不必连续存放（支持虚拟存储）
• 便于改变进程占用空间的大小
• 便于存储保护、共享
• 简单分段，进程全部装入内存

注：存储保护和共享我们下一章节会详细来说

段表

与页式管理类似，段式管理也有段表，不过由于每个段的长度不同，所以段表长度寄存器的值不是唯一的。

• 进程段表：描述组成进程地址空间的各段，可以是指向系统段表中表项的索引。每段有段基址(base address)和段长度
• 系统段表：系统内所有占用段,包含始值、段长等
• 空闲段表：内存中所有空闲段，可以结合到系统段表中
  段式管理内存的分配算法：首次适配、下次适配、最佳适配等，即动态分区。

具体流程如下：

• 输入逻辑地址：逻辑地址部分由段号 S 和段内地址 d 组成。
• 地址越界检查：通过段号S和C_l的比较，判断地址越界，方法同页式管理
• 查找段表：通过Cb+S*段表项长度查找段号找到对应的段基地址 b 和段长 l。
• 地址越界检查：将 d 与 l 比较，确保 d 小于l，即段内偏移小于段长。
• 计算物理地址：如果 d 在范围内，计算物理地址 b + d。
  注：由于段长是不固定的，所以在计算得到物理地址之前会进行第二次检查地址越界

页式管理和段式管理的比较

• 分页是出于系统管理的需要，分段是出于用户应用的需要。
  一条指令或一个操作数可能会跨越两个页的分界处，而不会跨越两个段的分界处。
• 页大小是系统固定的，而段大小则通常不固定。
• 逻辑地址表示：
  分页是一维的，各个模块在链接时必须组织成同一个地址空间；
  分段是二维的，各个模块在链接时可以每个段组织成一个地址空间。
  通常段比页大，因而段表比页表短，可以缩短查找时间，提高访问速度。

注：这里的一维和二维是根据程序员编程的角度分析，由于页的大小是固定的，所以给出一个逻辑地址OS就可以直接对应到物理地址，但是段的大小不一，就必须给定段名和段内地址，类似于基址变址寻址。