哈工大李治军老师操作系统笔记【18】：内存使用与分段（Learning OS Concepts By Coding Them !）

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• 前面讲了操作系统怎么运行起来的
• 到多进程图像

1 如何让内存用起来？

• 将程序放到内存中，PC指向开始地址

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• 程序需要放到内存中，取址要从内存中去取，然后让程序执行起来，就相当于使用了内存
  

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1.1 内存使用的直观想法

• 现在引出两个问题：

1. 如何将程序放到内存中？
2. 如何让程序执行起来？

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• 解答：使用汇编指令放到内存中，能跑起来就能执行起来
  

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• 这是一个C程序，那么C程序编译成汇编了，里面的标号偏移是从0开始的，例如_enrty是0，_main的偏移是40
• 这段程序被放入内存后，为了让他正常工作，直观想法就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
• 问题：0地址是随便用的吗？ 一般0地址是操作系统用的，0地址一般不是空闲的；难道所有的程序加载进来都要放到0地址吗？那不就冲突了吗？
• 所以我们应该找一块空闲的内存放进去，例如放到1000的位置，但是这个时候地址就对不上了，怎么办？
• 重定位

综上即：把内存分为页，每次装入程序中的一个页，就在页表中加一项（建立页号+页内位置与地址的关系），然而页太多了的话页表太大查找的时候太费时间，所以把多个页分为一个段，再用一个段表（一样的逻辑）建立段号与页表位置的连接，这样每个页表就只有段大小/页大小那么大，查得更快。call 40里，就用段表和页表得到程序中40号位置所在的地址，跳到那里去执行

1.2 重定位

• 原先是相对地址，现在到物理内存当中要变成物理地址

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• 原来的这个40相对地址（逻辑地址）要想放到内存当中，必须变成物理地址，所以40就必须修改
• 重定位：修改程序中的地址（是相对地址）
• 编译时重定位？（在编译的时候加上基址）
• 一次编译后，内存地址就固定了，那么还是有可能存在冲突的问题
• 编译时无法预测哪一段内存是空闲的
• 除非是一些特殊的专用场合，目的就是要放到内存的固定位置
• 例如，可能编译的时候确实是空闲地址，但是执行的时候，可能这地址已经被别人占了
• 载入时重定位？ 在载入的时候，将程序中的全部地址加上一个偏移，对应当前内存中的空闲空间
• 载入只有一次，但是一些情况下，载入后的程序还可能需要移动在内存中的位置
• 例如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
• 载入时重定位的程序一旦载入内存就不能动了

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• 所以说，重定位最合适的时机——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：地址翻译，也就是说，指令无论放到哪里都可以，根据这里的地址才能找到实际放到哪里
• 不需要去修改程序中的地址，而是动态的去翻译这个地址为物理内存地址
• 每个进程有各自的基地址，放在哪里？PCB，这个base会随着交换而被PCB进行记录，都是从PCB中找到这个基址，再加上逻辑地址，从而找到这个真实地址
• 对应的有相应的基地址寄存器，专门用来存放基地址，硬件加速；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，那么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

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综上，步骤就是，在内存中找一段空闲的内存，然后把这个空闲的地址（段地址/段基址）找到，假如是1000，把这个1000赋给PCB，创建进程了，自然有PCB了，现在PCB当中就有base了，每次执行的时候，都要进行地址翻译，比如说300这个逻辑地址取出来，再把PCB当中的1000（1000会变化的，比如说switch_to()，都会跟着变化并且在PCB当中进行记录下来）这个基址取出来，然后合成物理地址即可

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• 是将整个程序一起载入内存中吗？引入分段的概念
• 现在说的是物理地址，把物理地址的基地址放到Cr3寄存器，然后放到Tcb，经过mmu的映射才有了4g的线性地址，就是内存的分段分页

1.3 分段

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• 程序由若干部分（段）组成，每个段有各自的特点、用途，用户可独立考虑每个段怎么存放数据（分治）
  • 例如代码段是只读的，data段是可写的，这两种数据放在一起显然不合适
  • 代码段/数据段不会动态增长
  • 栈段应该符合栈的操作逻辑，而且可以动态增长
  • 函数库段可能并不需要一开始就载入
• 每个段内的逻辑地址都是从0开始的
• 引入段后的地址定位：<段号，段内偏移>

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• 不是将整个程序，是将各段分别放入内存

  • 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
  • 寻址要用段地址+段内偏移
  • PCB中需要存放所有段的地址
  • 不同的段会用到不同的段基址寄存器，例如数据段是DS，指令段是CS
  • 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

• 课程刚开始讲引导的时候，提到的GDT表，就是操作系统这个进程的进程段表，而其他进程的进程段表是LDT表

• 进程切换的时候需要切换LDT表，进程寻址是到LDT表中查出段基址

• 疑问：LDT表是PCB的一部分吗？，会把 LDT 赋给 PCB

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• 综上，操作系统进程放在 GDT 表当中，每个进程有自己的 LDT 表，在进程切换的时候，要 LDT表进行切换，LDT 表一旦切换，在每次进行地址翻译的时候，根据数据段代码段的基址再找到 LDT 的段号，即可找到物理地址
  

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• 这样就是载入一个程序的示意图

2 总结

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，每个段的基址等信息存放在LDT表中，PCB保存了LDT，还是说PCB保存了LDT的指针？反正可以通过PCB找到该进程的LDT表，然后通过LDT表查出段基址。段基址+程序中的相对地址=物理内存地址。Idtr寄存器是做什么用的？存放段编号，是查找LDT表的索引之前讲进程切换的时候，提到的内存映射表，就是LDT表