操作系统学习笔记8 |段页式内存管理

• 2022 年 9 月 8 日
• 笔记
• 编程技术, 计算机系统

多进程图像中的CPU管理已经告一段落，接下来要介绍另一大方面——内存管理。首先我们也来看看内存是如何被使用起来的。最后介绍段页式内存管理的实现过程。

参考资料：

• 课程：哈工大操作系统（本部分对应 L20 && L21 && L22 && L23）

• 实验：操作系统原理与实践_Linux – 蓝桥云课 (lanqiao.cn)

• 笔记：操作系统学习导引 · 语雀 (yuque.com)

  这一部分的难度仅次于学习笔记5

1. 内存的使用与分段

1.1 内存管理的直观想法

冯·诺依曼的存储程序思想：取指执行。这种体系结构下的内存使用即程序放到内存中，PC指向开始地址。

下面从一段程序开始，如下图：

程序编译成汇编后，里面的标号偏移是从0开始的，例如 enrty 是 0，_main 的偏移是 40。而 40 就是 main函数开始的地方。

• 接下来需要将程序放入内存中。

用磁盘读，就可以将指令读入内存，但是最重要的问题是把程序放到内存的哪个地方。

• 最直观的想法是 按照偏移放到物理内存的对应位置，这段程序也就必须放到物理内存的0地址处

• 但是问题很明显：前面也提到过，0地址一般是操作系统使用的，并不空闲；而且，按照这样的约定，所有的程序起始地址都是0，这不就冲突了？

• 所以实际上应当是在内存中找一段空闲的单元，再将程序加载进来。

• 但是这样，地址就对不上了，如上图，按照指令跳到了40，但40处是系统程序/不空闲，本应当跳到1040.

• 所以必须要修改上图程序中的 40.

  将程序中的 逻辑地址/相对地址 重新定位到 真实的物理地址。

  !重定位!

1.2 重定位

什么时候做重定位？

• 编译时：

  • 这种需要在编译时就知道哪里是空闲的，并且编译时空闲不代表装入时空闲。

  • 因此需要预定，而预定就比较难做。

  • 对于嵌入式系统（静态系统），烧入程序后不再改变，那么编译时重定位就没有上述缺点。

    扩展资料：PE文件结构重定位表

• 载入时：

  • 在载入程序时，根据内存的空余情况统一进行地址换算，更灵活，更适用于PC机等通用设备。
  • 因为载入过程中需要修改，比较慢。

两种方式的特点：

• 编译时重定位程序只能放在内存的固定位置；
• 载入时重定位程序一旦载入内存就不能动了。

因此载入时重定位还有问题，因为程序载入内存后还需要移动。

操作系统为了合理利用内存，程序载入内存后，如果进入阻塞或者睡眠，很可能会被 交换 到磁盘上，临时给别的程序腾出空间，再交换回内存后，不一定是原来的位置了。

1.3 运行时重定位

因此，载入时重定位也不好，应当是 运行时重定位。

• 在运行每条指令时才完成重定位，每执行一条指令都要从逻辑地址算出物理地址，也叫地址翻译

  跟前面的两种方式不同，不是修改程序中的地址，而是动态地将地址翻译为物理地址（根据Base + 逻辑地址）

有个问题就是，base放在哪里？

• 每个进程都有自己的基址，并且，每次进程由等待队列进入CPU执行时的基址都会相应发生改变

• 因此，base 放在 PCB中。

• 对应的有相应的基地址寄存器，专门用来存放基地址，在硬件层面进行加速；

  在进程切换的时候，会将PCB中的基地址放到基地址寄存器中，之后这个进程执行的每条指令的寻址，都会加上这个基地址.

1.4 小总结：上述过程梳理

梳理一下上文的过程。

• 由于多进程图像，进程1的程序自地址2000起始，进程2的程序从地址1000开始存放。分别把 2000 和 1000 放入各自PCB。
• 在取指执行时，指令进入CPU，100 的逻辑地址加上 2000 这个 基地址，就对地址为 2100 的数据进行了操作。
• 当进程切换时，将进程2 PCB 中的基地址 替换进程1的 基地址寄存器。
• 接下来执行进程2 时，逻辑地址100 就会加上 基地址 1000，处理进程2的数据。

1.5 程序分段

程序是整个放入/载入内存中的吗？

• 在程序员眼中，程序不是完整一块儿，而是由若干 部分/段 组成的。如下图中的代码段、变量集data段、函数段。
• 每个段都有各自的用途和特点：比如代码段只读，代码段/数据段不会动态增长，栈段可以动态地单向增长，函数库段可能不会在一开始就载入，并且有也不是所有函数库都载入；
  • 每个段的逻辑地址都从0开始；
  • 引入段后的地址定位是 <段号，段内偏移>
• 所以采用分治思想可以使得用户单独考虑每个段如何存放数据，使得操作更有针对性和灵活性；

所以我们拟采用 将程序分段放入内存 的方法。对于堆栈段来讲，分段的优点：

• 栈是可以动态增长的，如果空间不够了，那么栈段可以单独的再重新分配，而不需要给整个程序的数据重新分配

  这里的背景知识是给程序分配的内存不够了怎么办？处理方法是整段搬迁。如果程序不分段，就是整个程序空间的搬迁，这样效率很低。

采用这种方法的相应措施是寻址方式的相应调整：

• PCB中存储所有段的基地址

• 寻址：段地址+段内偏移

  比如第1段的300和第3段的300 ，重定位后的物理地址并不同。

• 进程执行时，PCB中的段地址赋值给各自的段基址寄存器

  • 如数据段是DS，指令段是CS
  • 有一个表来记录：下图中，PCB中有一个进程段表，保存了每个段的段号、基址、长度、读写标志
  • jmpi 100,cs（cs=0），这时就是从基址180再偏移100进行寻址。

此前 学习笔记1的setup.s理解 中曾提到过 jmpi 0,8，接着就是使用GDT表进行查表跳转（8相当于CS是段的基地址，0是偏移量）。

GDT 表实际上就是 进程段表，只不过GDT对应的是OS（看做一个进程）对应的段表，GDT唯一；而每个进程都对应一个自己的进程段表 LDT表。

LDT: Local Descriptor table

1.6 真正的寻址：GDT + LDT

上面1.5中 简略形象的进程段表在具体程序中的表现就是GDT表的格式；如下图右上所示：

GDT 里放 操作系统的各个段 和 LDT，LDT 放进程的各个段基址及其他情况。

总结梳理一下：

• 程序按照数据的不同用途分成多个段，每个段分别加载到内存的空闲区域，每个段的基址、长度等信息存放在LDT表中
• 初始化好的 LDT 赋值给 PCB，可以通过 PCB 找到该进程的LDT表，接着在执行指令时通过 LDT 表查出段基址，加上指令本身的偏移就得到了物理地址
• 段基址+程序中的相对地址 = 物理内存地址
• ldtr寄存器是做什么用的？
  • 存放段编号，是查找LDT表的索引 (相当于数组下标)
• 之前讲学习笔记5中拆解线程和内存管理的时候，提到的内存映射表，就是LDT表

1.7 补充：Linux 0.11 的分段处理方式

• 根据此前进程的相关学习，Linux0.11 下 TCB/PCB 的实现都是靠一个 task_struct 结构体；这个结构体里面还有一个结构体 tss

• tss里面放的内容可以理解为是当前进程的CPU快照，存储了CPU所有寄存器的值，也就保存了当前进程的状态。

• 由于进程切换，段寄存器的内容就放在task_struct 里的 tss了

1.8 简单总结

• 内存使用 -> 程序分段装入内存 -> 重定位 -> 运行时重定位 -> LDT&GDT查表

• 对于其他进程，也是同样的流程。

• 进程切换时，切换LDT表，这也就是此前提到过的内存映射表。

  注意：LDT 是一个硬件概念，是一组寄存器。

这部分内容对应实验六。

2. 内存分区与分页

• 上面从程序员视角、程序装入内存的角度，我们将程序分成不同的段；
• 下面从内存的角度，看一看内存本身是怎么分区的。

2.1 内存使用过程

上面第一部分的学习角度，对于内存使用过程而言，还有缺陷;

1. 编译时，程序分成了多个段：代码段、数据段…

2. 在内存中找到若干块空闲的区域，用于存放多个段；

   段可以不连续。

   问题是内存为什么可以一块一块的被找到呢（内存怎么分割）？如何找到空闲的区域呢？这就是第二部分内存分区要解决的问题。

3. 将程序的各个段从磁盘中载入到找到的空闲内存区域中，并初始化LDT表，与PCB关联起来

   这部分涉及磁盘管理和设备驱动，需要后续讲。

   初始化 LDT 以及与 PCB 关联，就是第一部分后半截讲到的内容。

2.2 内存分区

2.2.1 分区策略

内存分区有两种思路：固定分区 和 可变分区：

• 固定分区：在操作系统初始化时将可用内存等长划分，但很显然不合适，因为程序各不相同，每个程序的段也有大有小；
• 可变分区：根据段请求的需求进行内存划分。

2.2.2 可变分区的管理思路

想法其实非常简单，对已分配和未分配的区域分别进行打表（数据结构），每次段请求时就查阅表格，分出相应内存时再将表格进行对应的修改。整个过程就跟 记账取物 差不多。

• 首先是用已分配分区表记录 被占用内存区域的起始地址和长度。

• 当段请求到来，根据请求从空闲内存划分相应区域；并修改空闲分区表和已分配分区表；

• 当某段程序不再需要，如下图段2（200K到250K），则在空闲分区表增加一项，在已分配分区表中去除第三项。

当段请求再次到来 reqSize = 40K，此时有两个空闲区域，且都能满足需要，应该分配到哪一块中？接下来就涉及算法了。

2.2.3 空闲分区选择算法

• 最佳适配：
  • 找到跟请求大小最接近的区域，即下图中的50K大小的区域；
  • 空闲分区会越割越细，越割越碎。
• 最差适配：
  • 找到跟请求大小最不适配的区域，即下图长度150K的区域；
  • 空闲分区会趋于均匀。
• 首先适配：
  • 找到第一个满足请求大小的区域就放入；
  • 这样时间复杂度很低。

可见这几种算法个有特点，很难说哪个更为优秀，只能讲合不合适。

这里 2.3 和 2.4 就是 数据结构（表） + 算法（选择算法） 的结合

现代操作系统并不是通过内存分区来做的，而是通过内存分页。分区算法实际上是虚拟内存的划分方式，这个留待后话。

段对应的虚拟内存中的分区，虚拟内存又要对应的分页的物理内存上，这个后面讲了段页结合的内存管理就理解了

2.3 内存分页

2.3.1 分区的问题

内存分区带来的问题也显而易见，无论哪种分区选择算法，最后都会带来“破碎”的内存，如若最后到来一个大小为160K的段请求，就会出现没有一个空闲分区能够适配的情况，但实际上空闲分区加起来能够超过160K。

当然也是可以解决的：移动内存分区，使内存紧缩，让内存空闲分区扩大。

但是内存紧缩这种方法花费时间较大；并且移动过程要考虑到每个进程的 LDT 修改，内存移动过程中CPU不能执行上层用户程序，相当于死机了。

所以还有一种想法，即将请求大小 160K 打散。

2.3.2 分页的处理方法

上面分区的方法中，内存就像面包，被切碎，最后剩下了谁都不想要的碎屑；而分页的考虑就是，将面包切成片，将内存分成页。

• 操作系统初始化时，将物理内存分为大小一定的页；

  • 实际上就是限制最小可划分的内存单元，避免过小碎片的产生；
  • 在 学习笔记1的main.c部分 中的 mem_map 就是完成上述的初始化工作，将内存打成 4k 为单位的页，若被使用则为1，空闲则为0.

• 针对每个段的内存请求，系统一页一页地分配给这个段，并向上取整。

• 这样就避免了内存分区效率低的问题，并且不需要内存紧缩。由于设置了最小可分单元–页，一个程序最多浪费 4K-1 的内存空间。

物理内存的角度要求内存浪费尽可能少，而用户/程序员 角度更能理解分段的思想。所以后续会继续介绍分页和分段结合起来的综合办法。

2.3.3 寻址方式

段被打散为页，但跟分区一样，程序在以页为单位的内存中同样需要被寻址才能被执行。

• 比如，我们需要执行一个 jmp 40 这个指令，我们需要知道 40 被分配到了哪一页上。

• 假设页的大小为100，那么40在第0页；

  同段的页共用一套逻辑地址，因为是同一个程序中的地址。比如页1的地址就是从100~199

• 物理地址怎么算？第0页放在第5页框（物理内存度量），所以实际上应当是540.

逻辑地址结构如下图所示：一共16位，高4位表示查询页表的索引，低12位是偏移量，也意味着页的大小（最大偏移）为 4K。

4K 的设计在16进制中正好是3位，对于一个地址来说，右移3位即可得到它所在的页。

寻址过程如下图所示：

页表索引寄存器 cr3 存储页表相关信息（之前的段表索引寄存器是ldtr），同样的，PCB 关联了页表（有指向页表的指针），在切换进程时，用 PCB 指向的页表对 CR3 进行赋值。

页表索引寄存器 CR3 存储 页号、页框号和权限检查。

表用来建立逻辑地址与物理地址的联系。

实际的物理地址=物理页框号对应的物理基地址+逻辑地址的低12位。

实例：

• 对于指令 mov [0x2240],%eax，首先寻址 [0x2240]；

• 0x2240 右移3位（4k）得到0x2，余数为 0x240，这表示地址所在的页号为2，页内偏移为240；

• 拿着页号 2 查找页表索引，得到页框号 3；

  还是注意区分页号和页框号。页号是逻辑地址的分页，页框号是物理地址的分块单元（也意味着首地址）。

• 3*4k + 240 即为真实物理地址 3240。

• 上述寻址过程由 MMU，内存管理单元 在硬件层面完成。

2.4 简单总结

程序分段，如果按段放入内存，内存会出现无法利用的大量碎片，所以建立最小内存划分单元–页，按照页响应段请求。页的寻址需要建立页表，页表与 PCB 关联。

3. 多级页表与快表

3.1 问题

上述思路，已经趋于完善，但是在实际系统中还是存在问题：

• 为了提高内存空间利用率，页应当小，但是页小的话数量增加，据此建立的页表就会变大。
• 页太多了的话，页表太大 维护和查询页表的开销就大了：
  • 比如32位程序（4G内存），如果页大小为4K，则有1M / 2²⁰个页。
  • 这里的1M仅是页号，与之相应的页表项还有 页框号 和 保护位，每个页表项4个字节。页表整体就占用4M内存。
  • 每个进程都需要同样的页表，如果有 100 个进程，则占用 400M 内存。

3.2 尝试1：去除无用表项

但实际上 每张页表可能并不需要 4M 这么大的内存。因为单个进程并不会把 4G 内存全用上，也就是说 1M 个页表项并不会全部派上用场。

所以一种自然的想法就是：只对使用到的逻辑页建立页表项。

• 但随之而来的就是页号不连续，如下图右上角。

• 此前上文中本来用硬件索引，只需要对号入座，很快查到对应的表项，现在不连续了，就不能这么做了。

  参见上面2.3.3 寻址方式，我们先拿到的是2240这样的地址，上文方法右移三位就可以拿到 2 这个页号，这样做的依据是，页是连续的，我们可以根据页的大小推算页的号码，而页不连续，就不能说2240在第2页，我们需要去查表匹配。

• 必须逐一比较、顺序查找 / 二分查找。

• 而内存访问本身就很慢，每一次访存都需要额外的查找操作（也是访存操作），会降低指令的访存效率。

所以不连续的算法复杂度高于上文提到的连续存放（ O(1) ），但是连续存放的页表占用内存太大，会产生浪费。

3.3 尝试2：多级页表

解决上述问题，可以参考生活中的书籍的章节目录，我们要查找第五章的第三节（在书中是第20节）就不必查找前四章的目录，直接跳到第五章的目录下继续向下查，大大节约了搜索开销。

在内存管理中，”不必查找” 对应的就是 这些区域 在该进程中不被使用，既减少了无用表项，也保证了大章连续，单节之间也连续。这个尝试是成功的。

具体细节如下图：

• 页目录号 10 位（相当于章），页号10位（相当于节），页内偏移 12 位 / 4k。

• 查找流程就是，找到对应章，在对应章下找对应节，对应节得到物理页框号和偏移量，得到最终真实物理地址。

  由于多级页表的连续性，这其中的每一步查找都是O(1)，可以直接索引得到。

• 分析：

  • 章有10位，也就是页目录号有2¹⁰个表项，每个表项 4 字节，正好是 4k / 一页；

  • 同理，节（页号/二级页）也有 2¹⁰ 个表项，每个表项 4 字节，也是 4k / 一页；

  • 一个章/顶级页目录，管理 2¹⁰个节/二级页，每个节（表项）是4K，所以 一章 管理 4M 空间，下图程序使用了 3 章就使用了 12M 内存。

    • 注意：

    • 下图程序随意的使用了内存中的三个部分，如果不采用多级页表，则需要将4G空间整体打表才能使用，此时页表的存储需要4M，而其中有许多内存不需要打表（因为不会被用到，下图空白处）。

    • 而采用多级页表的页表项使用的空间是 2¹⁰ 个目录项 × 4字节地址 = 4K，总共需要16K远小于4M.

      章 / 顶级页目录中，共有 3 个表项是有效的，分别指向3个节 / 二级页目录，所以顶级页目录+3个二级页目录共16K.

  • 顶级页目录的前两个表项是在低地址空间，后一个表项是在高地址空间，对于这种不连续的逻辑地址的使用也是完美处理的；

    也就是说，程序可以使用不连续的逻辑地址空间，但是多级页表仍然是连续的，查找的时间复杂度是O（1）的

3.4 多级页表的时空复杂度

多级页表增加了访存的次数。每多一级，内存空间的节省越多，但也会多访问一次内存。32位系统或许不太明显，64位系统可能是五、六级的页表，这时时间消耗就会很大，效率降低。

3.5 优化：快表

上述多级页表降低了空间复杂度，但时间复杂度依旧不理想，这里引入了 TLB，快表。

TLB 是一组相联快速存储（快表），是CPU内的寄存器；可以非常快的找到最近使用的逻辑页对应的物理页框号。

TLB: Translation Lookaside Buffer.直译可以翻译为旁路转换缓冲，常称之为快表。

这部分在计组的Cache有讲过，这里相当于是另一种角度来看这个问题。

工作过程：

• TLB中存放从虚拟地址到物理地址的转换表；项由两部分组成：逻辑地址页号+偏移

• CPU 需要访存时，优先在TLB中寻址，并且通过硬件组相联的设计，在硬件电路上进行比对，可以达到 近似 O(1) 的查找效果。

TLB能够降低时间开销的原因：

• 公式如下图所示，想办法增加TLB的命中率，就能使有效访存时间降低至近似访存1次；

  简单讲就是减少了访问物理内存的次数。

• 下图公式是 TLB + 单级页表的计算公式。

页的个数通常很多，而TLB可以容纳的索引很少，TLB可以有效工作的原理是：

• 程序的地址访问存在局部性，
  • 空间局部性：比如程序的循环、顺序结构使得被访问地址周边的地址也很快被访问；
  • 时间局部性：有一些变量和语句经常被访问；
• 把这些经常被使用的放入TLB，并采用合适的替换策略，就能够保证TLB的命中率较高，降低访存时间。

采用 TLB+多级页表 的方法，首先在TLB中寻址存，如果 TLB 未命中，则对多级页表寻址，这样就降低了访存的时空复杂度。

4. 段页结合的内存管理

4.1 虚拟内存

在真实的操作系统中，通常采用段页式存储管理，段面向用户，页面向硬件内存。这一部分就讲解一下第 1 部分的 段 和 第 2 部分的 页 如何结合在一起。

简单的想法是：

• 程序编译为段，段被装入内存分区（这里的内存并不是物理内存，因为前面论证过时空效率不高），依据段表寻址；

  分段：代码分段+内存分区+段表，代码映射到程序员眼中的内存

• 而面向物理内存，划分为页，并根据页表/多级页表寻址；

  分页：内存分页 + 多级页表

• 在前者和后者之间建立映射关系，即将程序员眼中的内存与物理内存建立映射，就完成了 段 和 页 的结合。

• 这里程序员眼中的内存 就是 虚拟内存。

4.2 段页结合的构成机理

一个很好的参考资料：关于逻辑地址、线性地址、虚拟地址、物理地址的理解

4.2.1 程序放入物理内存

首先是程序放入物理内存的过程。

• 如下图所示，程序的代码段在虚拟内存上按照 2.2 内存分区的方法，找到空闲区域并放入；
• 将虚拟内存上的地址映射到物理内存上。
  • 举例：将左侧用户代码段再次打碎放入内存页中。
  • 0x00345008 映射为 0x7008，再到物理内存取址；
  • 这个映射对用户不可见/透明，所以用户眼中看到的就是下图左侧的虚拟内存。

4.2.2 程序如何访存执行

这时的访存问题也就是 段页同时存在时的重定位 / 地址翻译。

1. 首先要知道 程序段 在 虚拟内存 上的位置；
   • 用户发出的逻辑地址：段号 + 段内偏移
   • 基址：如下图在段表中，根据段号找到 基址 4800
   • 虚拟地址：段内偏移+基址
2. 虚拟地址向物理内存进行映射，考虑分页机制，再计算真实物理地址；
3. 操作系统把真实物理地址发到地址总线，访存完成。

这样，从用户角度看，完全是段的概念，同一代码段是连续的。但从操作系统角度讲，这个段是虚拟的，需要再映射到物理地址上。从物理内存角度讲，虚拟内存的段被打散在不同页上，并且使用了多级页表，提高了时空效率。

几个疑问的解答：

• 前文第2部分提到过，内存分区会有越分越碎的问题，为什么这里还能用分区的思路来划分虚拟内存呢？

  • 答：虚拟内存放在磁盘上，这样用户眼中就会有比实际大得多的内存空间。

• 引入虚拟内存的优越性，为什么不直接对段分页？

  • 每个用户代码都有多个段，如果直接给段分页，进程的每一个段需要都维护一个页表；

    经过虚拟内存的中介，只需要给虚拟内存维护一个页表；

  • 优化碎片问题，进一步提高空间利用效率。

    假设一个程序共有2047KB，分为两个段，1个段是1025KB，一个段是1022KB；

    如果经过虚拟内存的中介，只需要放到两页上；如果直接给段分页，就要放到3页上

从用户角度看， 能够使用所有的虚拟地址空间。 从物理内存上看， 用户仅仅使用了一些内存页。

4.3 一个段页式内存管理实例

实验6. 下面开始看代码啦。

4.3.1 程序放入内存

• 为程序/进程分配内存：分配段、页，建立段、页表；进程可以带动内存；
• 进程有了自己的内存，程序放入内存：从进程 fork 中的内存分配开始说。

• 段页式内存下程序如何载入内存？

  • 需要从虚拟内存中分出空闲区域，将程序段放入

  • 对虚拟内存进行分区，使用 2.2.3 中的分区选择算法，对程序的各个段进行适配，建立段表；

  • ——————-👆虚拟内存层，物理内存层👇——————

  • 对虚拟内存占用的空间进行分页，分配物理内存的页，建立页表，同时程序也就载入了内存；

    将用户数据段划分为3片，每一片关联物理内存的页框

4.3.2 程序使用内存

使用内存的核心是重定位，抑或是说 寻址。

以上图为例，需要执行 mov [300],0：

1. 300是逻辑地址，查找段表，找到虚拟地址为 0x00045300；
2. 再将虚拟地址重映射到物理地址，得到真实物理地址 0x0007300；
3. 进行访存操作，如上图中，是将 0 放入 该位置。

4.3.3 简单总结 && 思路梳理

上面的思路大致是如下几步，代码实现也是这几个部分：

1. 从虚拟内存中划分出空闲区域；
2. 建立与段表的关联并修改；
3. 物理内存中找空闲页；
4. 建立与页表的关联并修改；
5. 重定位寻址，即 *p = 7;

4.3.4 具体代码实现1 | fork=>copy_mem

首先 fork 需要实现上述思路的前 4 步。

• fork -> sys_fork -> copy_process 这个过程在学习笔记5的进程切换中已经了解过了；
• copy_process 中调用 copy_mem，将父进程的内存赋值子进程的内存；

copy_mem 做的事情：

• nr 是进程的编号，p 是PCB；

• new_data_base 就是每个进程在虚拟内存中的起始地址，每个进程占 64M 虚拟地址空间，互不重叠；

  程序中的 0x400_0000 是 64 M ，乘以 nr 就得到了 第 nr 个进程的起始地址。

  给 new_data_base 赋值就是在虚拟内存中分区；

  这是子进程虚拟内存的起始地址。

• set_base() 就是在设置段表，在这里的实现中，数据段和代码段是同一个（没有像上文那样被划分成程序员熟悉的多段），这一步就是在建立段表；

• 这里完成了第 1 步 和 第 2 步。

上面的划分方法，数据段和代码段都是同一个段，所以这种划分虚拟内存的方法比较弱智，但是它比较简单，适合初学者入门。

下一步就是要建立虚拟内存与物理内存的联系，分配页建立页表：

• 由于所有进程的虚拟地址互不重叠，所以所有进程可以共用一套页表；但是现在的操作系统，进程的虚拟地址是会重叠的，所以每个进程应该维护自己的页表；

  Linux 0.11 中就是前者，没有切换页表，现代操作系统中就应当切换。如下面所讲的 fork 过程就各自维护各自的页表。

• copy_mem 调用 copy_page_tables，子进程和父进程共用物理内存的页，因此在fork子进程的过程中，没有新分配物理内存，只需要建立新的页表（拷贝旧页表）。

• 下面具体看看 copy_page_tables 建立新页表。

  • 32位地址空间，实参 old_data_base 对应形参 from，表示父进程的虚拟内存的起始地址，from 右移20位，和 0xffc 进行位与结果赋给 from_dir（将后两位清为 0）；
    • 解释：根据虚拟地址结构，右移 22 位，就得到了页目录号，再乘以 4，得到顶级页目录中的索引位置（顶级页目录中的每一项占4字节），所以代码里直接写了右移 20 位再将后两位清 0，这是等价的；
    • 现在就找到了 章。
  • to_dir 来源同理，找到的子进程的 章。
  • from_dir 是章，也就是指向父进程的第一个/节 / 二级页目录的 指针，*from_dir 就是父进程的第一个节 / 二级页目录；
  • 同理，to_dir 是子进程的 章，指向子进程的第一个 节的指针；
  • size 是 章 的个数。
  • 代码见下图；

• 找到了父进程的章，也找到了子进程的章；接下来根据父进程章下的节建立子进程章下的节，先分配页，再循环复制页目录和页表。

  • 循环 size 次，给子进程的节 / 二级目录分配页，每一章的二级目录就分配一页。

  • get_free_page() 使用 内嵌汇编（如下图右上角） 从空闲列表中取出一页；

    这一步相当于分配二级页，上面4.3.3 中思路的第三步。

    mem_map 在学习笔记1 中的OS开机过程中的 main.c 中初始化，空闲为0，占用为1，内嵌汇编 做的事情就是找到 mem_map数组的空闲位。

  

  • 分配页后，按照父进程的每一个二级页目录，建立子进程的每一个二级页目录，这就是复制页表项的过程。

    这一步相当于根据父进程页表建立页表，上述思路的第 4 步。

    this_page = *from_page_table; 再将 *from_page_table赋值给了 to_page_table，相当于拷贝父进程页表内容。

    由于此时父进程和子进程都指向了同一个物理页，需要将其设置为只读：this_page = ~2;

    设置只读：如果一个进程读，另一个进程写，就混乱了。

    mem_map[this_page]++，有点像引用计数的概念。

    比如这里两个虚拟内存页共享一个物理内存页，数组值就是2。这意味着，其中一个进程释放内存时，不能直接减到0（而是1，减到0就意味着空闲了）。

• 这里用了写时复制 的方法。

子进程 一开始 页表 是 copy 父进程页表的，读的时候对应的物理内存都一样，这时读时共享。

直到父子进程有一个进程要用写操作修改物理内存，这时父子进程在物理内存层就不能保证完全一致，再为子进程相应的段分配物理空间。即写的时候要重新修改页表对应的映射 即 写时复制。

最后得到的内存图像如下图所示，进程1 fork 得到进程2，它们的虚拟内存指向了同一块物理内存空间，一页一页对应：

4.3.5 具体代码实现2 | 代码执行

段表、页表建立之后，就可以运行程序，进行第 5 步重定位 / 地址翻译了：

• 当用户程序访存时（读写内存时），查段表、页表进行地址翻译的工作由 MMU 完成；

• 读时共享，写时复制，子进程执行*p=8，根据虚拟内存的映射会写到新的物理页里面，

• 我的理解：子进程如果没有写操作，就可以以只读的方式共享父进程的内存页；如果有写操作，就会使用写时复制，产生子进程独立的内存页，并且需要修改页表

4.4 总结

整体思路其实还是很清晰的，但是代码实现我还不是很理解，特别是最后介绍到的写时复制概念，只是隐约感觉到，通过虚拟内存的一层映射，使得父子进程的逻辑地址的写入实现了分离。

整个段页结合的内存管理思路在 4.3.3 。