【程序员的自我修养】从分段机制到分页机制

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

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。