『内存中的操作系统』如何高效, 灵活的虚拟化内存(2)
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思维模型1. 硬件在地址转换时使用段寄存器。它如何知道段内的偏移量，以及地址引用了哪个段？2. 分段之后, 我们有没有新的功能可以实现?
3. 分段有没有什么问题?
1. 硬件如何知道引用了哪个段？在前一篇文章中, 我们介绍了分段的设计, 那么硬件在地址转换时, 是如何知道引用了哪个段, 又是如何知道段内的偏移量呢?
我们可以想到的是直接显式地标识出来, 我们可以用虚拟地址的前几位来标识不同的段, 还是拿我们上面所说的三个段(代码,堆,栈)来标识, 因为有3个栈, 所以我们用两位字节来表示, 如下:
在我们的例子中，如果前两位是00，硬件就知道这是属于代码段的地址，因此使用代码段的基址和界限来重定位到正确的物理地址。如果前两位是01，则是堆地址，对应地，使用堆的基址和界限。下面来看一个4200之上的堆虚拟地址，进行进制转换，确保弄清楚这些内容。虚拟地址4200的二进制形式如下：
从图中可以看到，前两位（01）告诉硬件我们引用哪个段。剩下的12位是段内偏移：0000 0110 1000（即十六进制0x068或十进制104）。因此，硬件就用前两位来决定使用哪个段寄存器，然后用后12位作为段内偏移。偏移量与基址寄存器相加，硬件就得到了最终的物理地址。
当然除了这种方式, 我们当然还可以通过地址是如何产生的来判断, 比如地址由程序计数器产生（即它是指令获取），那么地址在代码段。如果基于栈或基址指针，它一定在栈段。其他地址则在堆段。这种被称为隐式推断.
2. 我们有没有新的功能可以实现?随着分段机制的不断改进，系统设计人员很快意识到，通过再多一点的硬件支持，就能实现新的效率提升。具体来说，要节省内存，有时候在地址空间之间共享（share）某些内存段是有用的。尤其是，代码共享很常见，今天的系统仍然在使用。
为了支持共享，需要一些额外的硬件支持，这就是保护位（protection bit）。基本为每个段增加了几个位，标识程序是否能够读写该段，或执行其中的代码。通过将代码段标记为只读，同样的代码可以被多个进程共享，而不用担心破坏隔离。虽然每个进程都认为自己独占这块内存，但操作系统秘密地共享了内存，进程不能修改这些内存，所以假象得以保持。
从而我们在分段的基础上实现了共享内存的功能, 而这项功能能够有效的节省内存的占用.
3. 分段有没有什么问题?在我们实现任何一项设计之后, 除了高兴, 我们还要去思考我们目前的设计有没有什么问题, 有没有哪些地方还可以完善. 有没有带来什么新的副作用. 这里我们简单来说几个思考方向:
我们目前只考虑了硬件上面的改动, 即在内存管理单元MMU中增加寄存器的数量之外, 同时修改了其中的逻辑代码, 包括内存访问和使用. 那么我们操作系统需不需要做些改动呢? 比如操作系统在上下文切换时应该做什么？你可能已经猜到了：各个段寄存器中的内容必须保存和恢复。显然，每个进程都有自己独立的虚拟地址空间，操作系统必须在进程运行前，确保这些寄存器被正确地赋值。
另一个问题其实是我们没解决的问题, 那就是管理物理内存的空闲空间, 新的地址空间被创建时，操作系统需要在物理内存中为它的段找到空间。之前，我们假设所有的地址空间大小相同，物理内存可以被认为是一些槽块，进程可以放进去。现在，每个进程都有一些段，每个段的大小也可能不同。
一般会遇到的问题是，物理内存很快充满了许多空闲空间的小洞，因而很难分配给新的段，或扩大已有的段。这种问题被称为外部碎片（external fragmentation）.如下图:
在这个例子中，一个进程需要分配一个20KB的段。当前有24KB空闲，但并不连续（是3个不相邻的块）。因此，操作系统无法满足这个20KB的请求。这个问题显然是需要解决的, 那么如何解决, 我们在下一篇文章将继续分析.
