非连续内存分配

一、分段机制的核心原理

1. 逻辑地址空间的划分（图片左侧）

• 程序被拆分为多个功能模块，每个模块对应一个段：
  • 堆（Heap）：动态内存分配区（如 malloc 申请的空间）。
  • 运行栈（Stack）：函数调用栈（局部变量、返回地址）。
  • 程序数据（Data）：全局变量、静态数据区。
  • 程序text段（Text）：代码指令区（机器码）。
• 特点：
  • 每个段有独立的功能和访问权限（如text段只读，栈段可读写）。
  • 逻辑地址由 段号 + 段内偏移 组成（如 段2: 偏移100）。

2. 物理内存的分散映射（图片右侧）

• 物理内存中，每个段被分配到独立的非连续区域：
  • 堆段 → 物理堆区
  • 栈段 → 物理栈区
  • 数据段 → 物理数据区
  • text段 → 物理代码区（可能与库代码共享）

二、分段机制的实现流程

---

二、段访问的两种实现方案

方案1：段寄存器 + 地址寄存器（左侧示意图）

• 硬件支持：
  • 段寄存器（Segment Register）：存储当前段号 s（如 s = n₂）。
  • 地址寄存器（Address Register）：存储段内偏移 addr。
• 工作流程：
  1. CPU 执行指令时，将逻辑地址 (s, addr) 拆解：
     • s 存入段寄存器。
     • addr 存入地址寄存器。
  2. 硬件自动转换：
     • 通过段表（Segment Table）查询段号 s 对应的基址（Base Address） 和段长（Limit）。
     • 检查偏移 addr 是否合法（addr ≤ Limit）。
     • 物理地址 = 基址 + addr。

方案2：单地址实现方案（右侧示意图）

• 硬件支持：
  • 单一地址寄存器：存储拼接后的地址（将 s 和 addr 合并为一个值）。
• 工作流程：
  1. 逻辑地址 (s, addr) 被编码为单值（如高比特位 = s，低比特位 = addr）。
     • 示例：32位地址 = 高16位存 s + 低16位存 addr。
  2. 软件/硬件转换：
     • 方式1（软件）：操作系统截取高比特位作为 s，查段表获取基址，再与低比特位 addr 相加。
     • 方式2（硬件）：MMU 自动拆分 s 和 addr，通过段表转换（类似方案1）。

地址转换流程

1. 逻辑地址生成：
   CPU执行程序P时产生逻辑地址（如 段号=2, 偏移=500）。
2. 段表查询：
   MMU以段号为索引查段表 → 获取该段的基址（Base）和段限（Limit）。
   示例：段号2对应 Base=1000, Limit=1500
3. 越界检查：
   • 若偏移 ≤ Limit（如500 ≤ 1500）→ 继续下一步。
   • 若偏移 > Limit（如2000 > 1500）→ 触发内存异常（Memory Exception）。
4. 物理地址计算：
   物理地址 = Base + 偏移（如 1000 + 500 = 1500）。
5. 内存访问：
   CPU通过物理地址1500访问程序P所在段的数据。

---

操作系统的核心作用

1. 段表管理：内存映射的构建者

• 初始化段表：
  OS在程序加载时为每个段分配物理内存，填写段表项（Base/Limit）。
  示例：将程序P的代码段映射到物理地址1000-2500，段表项设为 Base=1000, Limit=1500。
• 动态更新：
  若程序申请扩展堆/栈空间，OS分配新内存并更新段表（如增大Limit）。

2. 内存异常处理：安全的守护者

• 拦截非法访问：
  当MMU检测到偏移越界（如偏移=2000 > Limit=1500），触发异常交由OS处理。
• 响应策略：
  • 终止进程：若为恶意访问（如缓冲区溢出攻击），强制终止程序。
  • 扩展段空间：若为合法需求（如栈增长），分配新内存并更新段表。

3. 物理内存分配：资源的调度者

• 分配连续块：
  OS为每个段分配连续的物理内存区域（如图中程序P的段占1000-2500）。
• 碎片管理：
  通过段表实现非连续分配（不同段可分散存放），减少外部碎片。

4. 权限控制：隔离的保障

• 段表扩展功能：
  实际段表项通常包含权限位（如RWX），OS设置权限防止非法操作。
  示例：代码段设为只读（R），阻止篡改指令。