【系统架构设计师】操作系统 ③ ( 存储管理 | 页式存储弊端 - 段式存储引入 | 段式存储 | 段表 | 段表结构 | 逻辑地址 的 合法段地址判断 )

一、页式存储弊端 - 段式存储引入

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1、页式存储弊端 - 内存碎片

页式存储 将内存划分为 固定大小的页 , 如果 进程所需内存大小 不是 页大小 的整数倍 ,

进程的最后一个 内存页 势必会存在 未使用的内存空间 , 这就 100% 造成了一个内存碎片 ;

页式存储 导致了 内存 的利用率降低 , 尤其在频繁分配小内存时该弊端 对系统性能的影响 会进一步放大 ;

如 : 内存页 大小 为 4KB , 进程需要 5KB 内存时 , 需分配 2 个内存页 ;

• 第一个内存页 的 4KB 内存空间 完全被使用了 ;
• 第二个内存页 的 4KB 内存空间 只使用 1KB , 浪费了 剩余的 3KB 内存空间 , 这就造成了 内存碎片 ;

2、页式存储弊端 - 逻辑结构不匹配

页式存储 按大小 考虑 内存划分 , 没有考虑 代码运行逻辑 ,

可能导致 逻辑结构不匹配 , 程序的 逻辑模块 可能被分散在不同物理页中 , 导致缓存局部性差 , 影响性能 ,

如 : 实际调用某个程序时 , 程序文件并不是正好切割成 n 块 ,

有可能将 程序的重要代码 切割到两个内存页中 ,

一个循环体 的 代码 恰好 被切割到两个不同的 内存页 中 ,

最坏情况下 每次循环 可能 都需要 将 磁盘中的数据 加载到 物理内存 中 ,

循环持续几百万次回导致系统开销很大 , 降低系统性能 ;

3、段式存储引入

为了解决 页式存储 的 逻辑结构不匹配 的 弊端 , 段式存储 将内存 按逻辑段 ( 代码段、数据段、堆栈段 ) 划分 , 每个 逻辑段 长度可变 , 独立分配内存 , 与程序的实际结构对应 ;

段式存储 通过 段表 进行内存管理 , 通过 段表 记录每个段的 基址 ( 起始地址 ) 和 界限 ( 长度 ) , 实现动态映射 ;

段式存储 的 内存段长度 由实际需求决定 , 避免 页式存储 的 固定内存页大小 导致的浪费 ;

二、段式存储 简介

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1、段式存储

段式存储 ( Segmentation ) 是一种 内存管理技术 , 它 将程序的 内存空间 按 自然逻辑段（代码段、数据段、堆栈段等）划分 , 每个 内存段 具有独立的 地址空间 和 长度 ;

段式存储的设计目标是更好地反映 程序的 逻辑结构 , 提供更灵活的内存管理和更高的安全性 ;

2、段表

段式存储 主要靠 段表 进行 内存管理 ;

<font color=bluered段表 ( Segment Table ) 是段式存储管理中的核心数据结构，用于记录每个逻辑段的基址（起始地址）和界限（长度）等信息。

通过段表，操作系统可以将程序的逻辑地址转换为物理地址，并实现内存的权限控制和保护。

段表 的 三大作用 :

• 地址转换 : 将逻辑地址（段号 + 段内偏移量）转换为物理地址 , 逻辑地址 中的 段号 用于查找 段表 , 获取 段 的 基址 和 界限 ;
• 内存保护 : 段表中可以记录每个段的访问权限（如只读、可写、可执行）, 在地址转换时 , 操作系统会检查访问权限 , 防止非法访问 ;
• 段的管理 : 段表记录了每个段的状态信息（如是否已加载到内存） , 便于操作系统管理内存 ;

3、段表 结构

段表 结构 :

• 段基址（Base Address）: 段内存 在 物理内存 中的 起始地址 ; 用于将 逻辑地址 中的 段内偏移量 转换为 物理地址 ;
  • 案例 : 段基址为 0x1000 , 段内偏移量为 0x200 , 则物理地址为 0x1200 ;
• 段界限（Limit）: 段的长度（单位 : 字节） ; 用于检查段内偏移量是否合法 , 若偏移量超出段界限 , 则触发段错误（Segmentation Fault） ;
• 访问权限（Access Rights） : 段内存 的访问权限 , 用于实现内存保护 , 防止非法访问 ; 访问权限有以下三种 :
  • 只读（Read-Only）： 段内容只能读取，不能修改。
  • 可写（Writable）： 段内容可以修改。
  • 可执行（Executable）： 段内容可以作为代码执行。
• 存在位（Present Bit）: 表示 段内存 中的数据 是否已经从 磁盘 加载到 内存中 ; 该字段用于处理段未加载的情况，触发缺段中断（Segment Fault）。
  • 1： 表示段已加载到内存。
  • 0： 表示段未加载到内存（可能被换出到外存）。
• 修改位（Dirty Bit）: 表示段是否被修改过。用于页面置换算法，决定是否需要将段写回外存 , 最近 修改过的 段 不应该被置换到 外存 中 ;
  • 1： 段已被修改。
  • 0： 段未被修改。
    共享位（Shared Bit）: 表示段是否可被多个进程共享。用于实现内存共享，减少内存占用。
  • 1： 段可共享。
  • 0： 段不可共享。
• 保护位（Protection Bit）: 表示段的保护级别 ; 用于实现内存保护，防止用户程序访问内核数据。保护级别有两个级别分别是 :
  • 用户级（User Level）： 普通用户程序可访问。
  • 内核级（Kernel Level）： 仅操作系统内核可访问。
• 扩展位（Extended Bits）: 用于存储额外的信息，如段类型、段描述符类型等。提供更灵活的功能支持。

字段	含义
段基址	段在物理内存中的起始地址。
段界限	段的长度（以字节为单位），用于检查段内偏移量是否合法。
访问权限	段的访问权限（如只读、可写、可执行）。
存在位	表示段是否已加载到内存中（1：已加载；0：未加载）。
修改位	表示段是否被修改过（用于页面置换算法）。
共享位	表示段是否可被多个进程共享。
保护位	表示段的保护级别（如用户级、内核级）。
扩展位	用于存储额外的信息（如段类型、段描述符类型等）。

4、段内地址 / 段内偏移

逻辑地址 由 段号 和 段内偏移 组成 , 一般写为 ( 段号 , 段内偏移 ) , 如 : ( 0 , 88 ) 表示 段号 为 0 段内偏移为 88 字节 ;

段内地址 , 又称为 段内偏移 , 加上段的 起始地址 / 基址 ( 查询段表所得 ) 就是 对应的 物理地址 ;

在 程序的作业空间 中 , 每个 内存段 都有自己的 逻辑起始地址 , 段 起始地址 + 段内地址 就是 逻辑地址 ;

5、段式存储 优缺点

段式存储 优点 :

• 减少内部碎片： 段长度由实际需求决定，避免 固定页大小导致的 内部碎片 浪费。
• 逻辑结构匹配： 支持按段设置权限（如代码段只读、数据段可写），提升安全性。提高缓存和内存访问的局部性。
• 内存灵活共享： 共享时可直接 共享整个段（如共享代码库）。

段式存储 缺点 :

• 外部碎片（External Fragmentation）： 由于段长度可变，频繁分配/释放会导致内存中出现大量不连续的小块空闲区域。需通过内存紧凑（Compaction）整理碎片，但开销较大。
• 内存分配复杂度： 动态管理可变长度段需要 更复杂的算法（如首次适应、最佳适应）。

6、段式存储 与 页式存储 对比

段式存储 与 页式存储 对比 :

• 页式存储： 把进程地址空间分成固定大小的页，与物理内存的页框映射，避免外部碎片，但可能有内部碎片。
• 段式存储： 按逻辑划分进程地址空间，每段大小不同，适应性强，但可能有外部碎片。

对比项	页式存储 (Paging)	段式存储 (Segmentation)
基本单位	页 (Page)	段 (Segment)
地址结构	页号 + 页内偏移量	段号 + 段内偏移量
分配方式	物理内存划分为固定大小的页	物理内存划分为不同大小的段
地址连续性	进程的逻辑地址空间不连续	逻辑地址空间是连续的
内存管理	采用页表（Page Table）映射	采用段表（Segment Table）映射
外部碎片	无外部碎片，但有内部碎片	可能产生外部碎片
内部碎片	可能有内部碎片（页不足时）	无内部碎片
存储灵活性	固定大小，适合动态分配	变长，适合按需求分配
适用场景	操作系统内存管理、虚拟内存	代码、数据、栈分段存储

三、逻辑地址 的 合法段地址

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1、合法 段地址 判断

软考 中 针对 段式存储 知识点 考察的是 逻辑地址 的 合法段地址 判断 ;

逻辑地址 由 " 段号 + 段内偏移 " 组成 , 一般使用 ( 段号 , 段内偏移 ) 表示 ,

如 : ( 0 , 99 ) 表示 段号 0 段内偏移 99 字节 ;

合法 段地址 的 段内偏移 在 段界限 ( Limit , 段的长度 ) 之内 ;

非法 段地址 的 段内偏移 超出了 段界限 ;

以下面的段表为例 :

应用程序 作业空间 的 段号为 0 的 段 , 对应 逻辑地址 , 该段 的 段界限 ( 段长 ) 为 30KB ,

逻辑地址 ( 0 , 25 ) , 段号 0 , 段内偏移 25KB , 小于 段界限 30KB , 该逻辑地址 就是 " 合法 " 的 逻辑地址 ;

逻辑地址 ( 0 , 35 ) , 段号 0 , 段内偏移 35KB , 大于 段界限 30KB , 该逻辑地址 就是 " 非法 " 的 逻辑地址 ;

2、合法 段地址 判断 - 案例

下图 是 某进程 的 段式内存管理 的 段表 :

逻辑地址 使用 ( 段号 , 段内偏移 ) 表示 ;

段号 0 的逻辑地址 段内偏移 只能是 0 ~ 799 , 段内偏移 大于等于 800 就是非法地址 ;

段号 1 的逻辑地址 段内偏移 只能是 0 ~ 49 , 段内偏移 大于等于 50 就是非法地址 ;

段号 2 的逻辑地址 段内偏移 只能是 0 ~ 199 , 段内偏移 大于等于 200 就是非法地址 ;

段号 3 的逻辑地址 段内偏移 只能是 0 ~ 579 , 段内偏移 大于等于 580 就是非法地址 ;

段号 4 的逻辑地址 段内偏移 只能是 0 ~ 99 , 段内偏移 大于等于 100 就是非法地址 ;

逻辑地址 ( 0 , 999 ) 是 非法的 逻辑地址 , 不能转换为对应的 物理地址 ,

因为 段号 0 的 段界限 / 段长 为 800 字节 , 段内偏移 999 超出了 段界限 ;

这就导致 逻辑地址 转换为 物理地址 时 , 会出现 地址越界 ;