V2.0C++基础教程<br />——<br />C语言部分卷1C语言基础语法<br/>补充04虚拟内存的核心技术<br/><br/>最新版本V2.0<br>王道C++团队<br/>COPYRIGHT ⓒ 2021-2024. 王道版权所有概述分段（Segmentation）虚拟地址到物理地址的转换段表（Segment Table）段内存保护与权限段越界检测段的动态管理分页（Paging）页表（Page Table）缺页（Page Fault）换页（Page Swap）总结分段分页分段与分页的结合The End
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虚拟内存对于程序员编码而言，只需要了解地址/地址值等概念就足够了，关于它的实现细节即便不了解也完全不影响写出良好的代码。
但考虑到虚拟内存是面试比较常见的话题，这里简要介绍一下虚拟内存的一些核心技术。
若大家感兴趣，可以上网自行查阅更详细的资料。
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分段（Segmentation）是虚拟内存的核心技术之一，它将进程的虚拟内存空间划分为多个不同的逻辑区域（段），每个段表示程序的一个特定部分。
分段是根据进程的结构和需求来划分的，不同的进程分段可能不同，分段能提供更灵活的内存保护和管理。
常见的段类型包括：
代码段（Text Segment）：存放程序的可执行代码。
数据段（Data Segment）：存放静态数据，如全局变量、常量等。
堆（Heap）：用于动态内存分配（如
malloc在 C 中分配的内存）。栈（Stack）：用于函数调用时保存局部变量、返回地址等信息。
实际上我们讲的虚拟内存空间模型，就是分段技术的体现。使用分段技术后，还涉及到一个将虚拟地址转换成物理地址的过程。
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在分段系统中，每个虚拟地址由两个部分组成：段号和段内偏移。具体地说，虚拟地址的形式是
(segment_number, offset)，这两部分用于在内存中定位具体的物理地址。虚拟地址格式：
segment_number: 表示虚拟地址所属的段。
offset: 表示在段内的具体位置。地址转换步骤：
段号查找：虚拟地址中的段号首先会被用来查找段表。段表是操作系统维护的一个数据结构，存储了每个段的基地址（即段的起始物理地址）和段的大小（即段的界限）。
查找段表：操作系统通过段号在段表中找到对应段的基地址。段表通常存储在内存的某个固定位置，段表中的每一项包含：
基地址：段的起始物理地址。
界限：该段的最大长度，若访问地址超出了界限，则会触发一个“段越界”异常。
访问权限：该段的访问权限，例如是否可读、可写或可执行。
计算物理地址：通过段的基地址和虚拟地址中的偏移量，计算出物理地址：
Physical Address = Base Address + Offset其中，Base Address是段的基地址，Offset是虚拟地址中的偏移量。访问检查：操作系统会根据段表中的访问权限字段检查是否允许对该段进行读、写或执行操作。如果权限不符，系统会触发异常（如“段权限错误”）。
可以看出，段表是地址转换过程中的核心概念，那么什么是段表？
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段表是分段系统中的核心数据结构，保存了每个段的关键信息，主要包括：
基地址（Base Address）：段在物理内存中的起始位置。
界限（Limit）：段的大小或有效范围，即段的结束位置。段内访问的偏移量必须小于段的界限，否则会发生越界错误。
访问权限（Access Rights）：指定该段的访问权限，包括是否可读、可写、是否可执行等。
段标识：有些系统会为段提供标识，用于区分不同类型的段（如代码段、数据段等）。
例如，假设某段的基地址是
0x1000，界限是0x200，那么该段在物理内存中的地址范围是从0x1000到0x11FF，偏移量必须小于0x200。
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分段技术的一个重要特点是它可以为不同的段提供不同的访问权限，这样可以有效地控制对内存的访问。每个段表项通常包含访问控制信息，来指定该段的操作权限。
可读/不可读：控制程序是否能够读取该段。
可写/只读：控制程序是否可以写入该段。
可执行/不可执行：控制程序是否可以执行该段中的代码。
这样如果程序试图对代码段进行写操作，或者试图执行数据段中的数据，操作系统可以通过硬件（如内存管理单元 MMU）检测并触发保护错误，阻止非法操作。
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每个段都有一个界限（limit），它定义了该段的有效大小。在程序访问虚拟内存时，操作系统需要确保偏移量不超过段的界限。若访问超出界限，操作系统会产生一个“段越界异常”（Segment Fault），阻止不合法的内存访问。
例如，假设段表中的某段有一个基地址
0x1000和界限0x500，如果程序访问的偏移量大于0x500，即使该地址是有效的虚拟地址，也会被操作系统阻止。
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分段技术允许内存管理更加灵活，但也会遇到一些问题，例如外部碎片问题。由于每个段的大小是根据程序的需要动态分配的，因此不同段之间的空闲内存可能无法被有效利用，造成外部碎片。
外部碎片：段的大小不同，可能导致内存中出现无法利用的小空闲区域。
内存压缩和整理：为了避免外部碎片，操作系统可能需要定期进行内存整理（例如将内存中的段移动到一起，释放未使用的空间）。
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分页（Paging）：
分页是一种将虚拟内存和物理内存划分成大小相同的小块的技术，虚拟内存空间和物理内存空间通过页（Page）和页框（Page Frame）来映射和管理。具体而言：
虚拟内存空间被分割成的大小相等的小块称之为页或者虚拟页（Page）。
物理内存被分割成的大小相等的小块被称之为页框（Page Frame）。
页和页框的大小是对应相等的，虚拟内存空间和物理内存之间的映射就是页和页框之间的映射。
由于分页技术的存在，虚拟内存的大小完全可以超过实际物理内存。
假设物理内存大小是8Kb，页的大小是4Kb，虚拟内存空间设定为16Kb。
此时虚拟内存就会被划分成4个页，物理内存显然无法直接容纳虚拟内存，只能分配2个页框参考下面表格：
虚拟内存（16KB） 物理内存（8KB） 页1、页2、页3、页4 页框1、页框2 假如进程需要访问虚拟页1中的数据，那么就需要知道虚拟页1实际映射到了哪个页框，为了管理它们之间的映射，就需要使用页表技术。
现代操作系统，选择的分页大小一般都是4Kb。
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页表（Page Table）：
操作系统用一个叫做 页表 的数据结构来记录虚拟页和物理页框之间的映射关系。页表就像是一个“转换表”，用来告诉操作系统哪个虚拟页对应哪个物理页框。
进程开始运行后，假如需要使用虚拟页1和虚拟页2中的数据内容，此时页框1和页框2都是空闲的。于是将虚拟页1和2中的数据从硬盘加载到物理内存中，并映射到页框1和页框2。
简单来说，可以理解成下面的表格：
虚拟页编号 物理页框编号 实际存储位置 1 1 4Kb，物理内存 2 2 4Kb，物理内存 3 未分配物理内存 数据仍存储在硬盘上 4 未分配物理内存 数据仍存储在硬盘上 从页表中我们可以看到，虚拟页1映射到物理页框1，虚拟页2映射到物理页框2。虚拟页3和4中的数据还未使用，仍然存储在硬盘上。
此时，当进程试图访问虚拟内存中的某个地址时，操作系统将通过页表查找这个虚拟地址对应的物理地址。
比如当进程访问虚拟页1中的数据时，操作系统会检查页表，找到虚拟页1映射到物理页框1，操作系统将虚拟地址转换为物理地址，从而访问物理内存，这就是进程访问物理内存的内部原理。
那如果要访问虚拟页3或4中的内存，怎么办？
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缺页（Page Fault）：
虚拟页3 或 虚拟页4 这些虚拟页中的数据内容，尚未被映射到物理内存中的页框上，如果进程想要访问这两个虚拟页中的数据，就会引发缺页。
一旦发生缺页，操作系统一般会执行换页操作，换页技术是虚拟内存大小可以超过实际物理内存大小的主要原因。
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换页（Page Swap）：
当内存访问发生缺页，且物理内存已经没有空间继续分配新的页框时，操作系统会执行换页操作。
操作系统会根据换页算法（比如选择一个最早加载入内存的虚拟页）选择一个虚拟页，将其内容数据写回到磁盘，并将其所占的物理页框释放出来。这一过程被称为换页。
接下来沿用之前的例子继续分析：
缺页发生：进程需要访问虚拟页3的数据，但物理内存没有足够的空间分配新的页框，这时就会触发缺页。操作系统会执行换页操作。
选择换出的虚拟页：假设操作系统选择最早加载入内存的虚拟页1来进行换页，于是将虚拟页1中的数据从物理内存写回到磁盘。
虚拟页1原本对应的页框1被空闲出来。
虚拟页1中的数据已被写回磁盘，不再存储在物理内存中。
加载虚拟页3：此时，页框1被空出来，操作系统将虚拟页3的数据从磁盘加载到物理内存的页框1，并更新页表。
此时页表更新为以下状态：
虚拟页编号 物理页框编号 实际存储位置 1 未分配物理内存 4Kb，磁盘（换页后） 2 2 4Kb，物理内存 3 1 4Kb，物理内存 4 未分配物理内存 数据仍存储在硬盘上 在这种情况下，操作系统将 虚拟页1 中的数据写回硬盘，而将 虚拟页3 中的数据从原本的磁盘上加载到物理内存的 页框1 中。
这样一番操作后，进程就可以正常访问虚拟页3中的数据了。
若继续想要访问虚拟页4中的数据，怎么办？继续执行换页即可。
将虚拟页2（此时虚拟页2是最早加载的）中的数据写回到硬盘，并把虚拟页4中的数据加载到页框2中，最后更新页表如下：
虚拟页编号 物理页框编号 实际存储位置 1 未分配物理内存 4Kb，磁盘（换页后） 2 未分配物理内存 4Kb，磁盘（换页后） 3 1 4Kb，物理内存 4 2 4Kb，物理内存 通过这样的换页操作，操作系统有效地管理了有限的物理内存空间，并根据需求加载和替换虚拟页，确保进程能够按需访问数据。
扩展几个问题：
若进程又需要访问虚拟页1或虚拟页2中的数据，怎么办呢？
答：虚拟页1和2中的数据并未加载到内存中，于是触发缺页，进行新一轮的换页、更新页表操作。
若进程需要同时并发访问4个虚拟页的数据，怎么办呢？
答：这个问题看起来像抬杠，但其实是一个好问题，并且操作系统设计者已经考虑过这个问题了。
由于物理内存不足，操作系统实际上无法实现真正的同时访问四个虚拟页，所以还是会依据顺序采用“换页”的方式来进行访问。
由于换页过程涉及磁盘 I/O，性能显然是不好的，所以频繁的换页会拖累系统整体性能。
为了减少换页频率，可以考虑两种手段：
增大物理内存，也就是花钱，最简单有效直接。
采用更好的换页算法。常见的换页算法，比如：
先进先出（FIFO, First-In-First-Out），总是优先换出最早加载到内存的虚拟页。优点是实现简单，只需要一个队列就能够实现。但缺点也很明显，若最早加载的虚拟页是最常用的呢？这样反而增加了换页频率。
最近最少使用（LRU, Least Recently Used），总是优先换出最近最少使用的虚拟页。LRU的优点很明显，可以有效减少换页频率，但实现起来可能会比较复杂。
最少使用（LFU, Least Frequently Used），为每一个虚拟页增加一个计数器，需要换页时换出访问次数最少的虚拟页。
...
实际操作系统中，通常不会仅依赖单一的换页算法。它们会根据不同的场景或系统负载，综合使用多种换页算法。这通常涉及权衡算法的复杂性和性能的平衡，甚至可能根据不同的进程或负载动态调整算法。
这比较复杂，就先不扩展了。（我确信我已经完全掌握了这些算法，但这里空间不足，无法写下）
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下面我们来总结一下分段和分页两种虚拟内存的核心技术。
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分段技术：
分段的内部原理涉及将虚拟地址分为段号和偏移量，通过段表将段号映射到物理内存中的起始地址，再根据偏移量计算最终的物理地址。
段表还包含访问控制信息，用于管理不同段的访问权限。同时，操作系统需要管理段的动态分配和保护，确保程序不会访问非法或越界的内存。
分段技术的优点：
符合程序的逻辑结构： 分段技术允许将程序的虚拟地址空间按照逻辑上的模块进行划分。例如，程序的代码段、数据段、堆栈段等分别对应不同的段，便于操作系统根据程序的实际需求来管理内存。
灵活的内存分配： 每个段的大小可以根据实际需求进行动态调整，避免了内存浪费。段的划分不仅是为了提高内存利用率，还可以将相关的程序部分组织在一起，简化内存管理。
提供更好的保护机制： 每个段可以有独立的访问权限设置，比如代码段可以设置为只读，堆栈段可以设置为读写。这样可以有效地保护内存，防止不同类型的内存区域之间发生非法访问。
提高程序可移植性： 由于分段划分的内存区域是按照程序的逻辑结构进行的，操作系统可以在不同的内存位置加载这些段，只要段的内容一致，程序就可以正常运行。
分段技术的缺点：
外部碎片： 由于段的大小是动态的，可能导致不同段之间留下无法利用的小块空闲内存，从而产生外部碎片。外部碎片会导致内存利用率下降，尤其是在长时间运行时，内存碎片会逐渐增多。
地址转换开销大： 虽然分段通过逻辑划分内存有其优势，但每次访问时需要通过段表查找对应的段基地址，并加上偏移量进行转换。若段表非常大或访问频繁，可能导致较高的查找和转换开销。
管理复杂性： 分段技术需要对内存进行复杂的管理，操作系统必须跟踪每个段的基地址、界限和权限，增加了内存管理的复杂性。
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分页技术的优点：
消除外部碎片： 分页技术将内存划分为固定大小的页和页框，每页大小相同，避免了由于动态分配不同大小块而产生的外部碎片。分页系统通过按页来管理内存，允许程序使用物理内存中任何空闲的页框，无论其物理位置如何。
简化内存管理： 分页技术使内存管理更加简单和高效。物理内存的管理不再依赖于程序的逻辑结构，可以使用简单的页表来进行地址转换，不需要像分段那样进行复杂的段管理。
提高内存利用率： 由于每页大小相同，分页可以高效地利用内存。当内存中存在小的空闲区域时，可以灵活地将这些区域分配给需要的程序，避免了内存浪费。
支持虚拟内存： 分页技术非常适合实现虚拟内存，因为它允许程序通过页表来映射到物理内存中的任意位置。操作系统可以将程序的某些页面从磁盘交换到内存，支持超大内存空间。
分页技术的缺点：
内部碎片： 尽管分页消除了外部碎片，但每个页的大小是固定的，如果程序的数据不能整齐地填满一页，可能会造成内部碎片，即每页剩余的空闲空间被浪费。
地址转换开销： 虽然分页技术能有效管理内存，但每次访问虚拟内存时都需要经过两次地址转换：首先通过页表查找页框地址，然后加上页内偏移量。这增加了额外的计算开销，尤其是在访问非常频繁的情况下。
页表的存储和管理： 操作系统需要维护页表，并且随着程序的增长，页表的大小可能会非常庞大。为了提高效率，现代系统通常使用多级页表，这样虽然能减少内存开销，但会增加管理的复杂性。
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在现代操作系统中，分段和分页常常结合使用，形成分页-分段混合模式。这种模式试图结合两者的优点，弥补它们的缺陷。
结合方式：
分段后分页： 在这种模式下，首先将虚拟地址空间划分为多个段，每个段代表程序的一个逻辑单元（例如代码段、数据段等）。然后，对于每个段，使用分页技术进一步划分为固定大小的页。每个段会有一个段表，用来存储该段的基地址和访问权限等信息。而每个段内部又有自己的页表，负责将虚拟页面映射到物理页面。
两级地址转换： 当程序访问虚拟内存时，首先通过段表查找段的基地址，然后再通过段内的页表查找物理地址。即：
第一步：根据段号从段表中获取段的基地址。
第二步：根据段内的页号从页表中获取对应的物理页框地址，最后加上偏移量得到物理地址。
结合后的优势：
消除外部碎片：分页技术消除了内存中的外部碎片。分段技术提供灵活的内存划分和保护机制，允许操作系统以更合适的方式管理内存。
提高内存的使用效率：通过将分段和分页结合使用，可以充分利用内存空间。分段技术按逻辑结构划分内存，而分页技术则提供了一种统一的、固定大小的内存管理方式，避免了外部碎片并提高内存的使用效率。
提高地址空间的灵活性：分页-分段混合模式让操作系统能够灵活地管理虚拟内存和物理内存。每个程序的虚拟地址空间被分为多个段，段内再细分为固定大小的页，程序访问时，能够快速定位到物理地址。
便于保护和访问控制：分段提供了访问权限控制，每个段可以独立设置访问权限（只读、只写、可执行等）。同时，分页使得虚拟内存的访问更加灵活，可以将程序的各个部分映射到不同的物理位置，避免内存访问冲突。