内存分段机制详解

通过学习内存分配的方式我们知道，用户的内存视图与实际的物理内存不一样。这同样适用于程序员的内存视图。

事实上，对操作系统和程序员来说，按物理性质来处理内存是不方便的。如果硬件可以提供内存机制，以便将程序员的内存视图映射到实际的物理内存，系统将有更多的自由来管理内存，而程序员将有一个更自然的编程环境。分段提供了这种机制。

分段的基本方法

程序员是否认为内存是一个字节的线性数组，有的包含指令而其他的包含数据？大多数程序员会说“不”。相反，程序员通常愿意将内存看作一组不同长度的段，这些段之间并没有一定的顺序（图 1）。

图 1 程序员眼中的程序

当编写程序时，程序员认为它是由主程序加上一组方法、过程或函数所构成的。它还可以包括各种数据结构，例如对象、数组、堆栈、变量等。每个模块或数据元素通过名称来引用。程序员会说“堆栈”、“数学库”和“主程序”等，而并不关心这些元素所在内存的位置，及他不关心堆栈是放在函数 Sqrt() 之前还是之后。

这些段的长度是不同的，其长度是由这些段在程序中的目的决定的。段内的元素是通过它们距段首的偏移来指定程序的第一条语句、在堆栈里的第 7 个栈帧、函数 Sqrt() 的第 5 条指令等。

分段就是支持这种用户视图的内存管理方案。逻辑地址空间是由一组段构成。每个段都有名称和长度。地址指定了段名称和段内偏移。因此用户通过两个量来指定地址：段名称和段偏移。

为了实现简单起见，段是编号的，通过段号而不是段名称来引用。因此，逻辑地址由有序对组成：

通常，在编译用户程序时，编译器会根据输入程序来自动构造段。

一个 C 编译器可能会创建如下段：，

• 代码
• 全局变量
• 堆（内存从堆上分配）
• 每个线程使用的栈
• 标准的C库

在编译时链接的库可能分配不同的段。加载程序会装入所有这些段，并为它们分配段号。

分段硬件

虽然用户现在能够通过二维地址来引用程序内的对象，但是实际物理内存仍然是一维的字节序列。因此，我们应定义一个实现方式，以便映射用户定义的二维地址到一维物理地址。这个地址是通过段表来实现的。

段表的每个条目都有段基地址和段界限。段基地址包含该段在内存中的开始物理地址，而段界限指定该段的长度。

图 2 分段硬件

段表的使用如图 2 所示。每个逻辑地址由两部分组成：段号 s 和段偏移 d。段号用作段表的索引，逻辑地址的偏移 d 应位于 0 和段界限之间。如果不是这样，那么会陷入操作系统中（逻辑地址试图访问段的外面）。如果偏移d合法，那么就与基地址相加而得到所需字节的物理内存地址。因此，段表实际上是基址寄存器值和界限寄存器值的对的数组。

图 3 分段的例子

例如，假设如图 3 所示的情况。有 5 个段，按 0〜4 来编号。各段按如图所示来存储。每个段都在段表中有一个条目，它包括段在物理内存内的开始地址（基地址）和该段的长度（界限）。

例如，段 2 为 400 字节长，开始于位置 4300。因此，对段 2 字节 53 的引用映射成位置 4300 + 53 = 4353。对段 3 字节 852 的引用映射成位置 3200 (段 3 基地址）+ 852 = 4052。对段 0 字节 1222 的引用会陷入操作系统，这是由于该段仅为 1000 字节长。