操作系统-非连续内存分配：分段、分页、分表004
一、为什么需要非连续内存分配
1.连续内存分配的缺点
- 分配给一个程序的物理内存是连续的
- 内存利用率较低
- 由外碎片、内碎片的问题.
2.非连续分配的优点
- 一个程序的物理空间是非连续的
- 更好的内存利用和管理
- 允许共享代码和数据（共享库等…）
- 支持动态加载和动态链接
3. 非连续分配：缺点
- 如何建立虚拟地址和物理地址之间的转换
二、两种硬件方案：分段和分页
1、软件方案（开销大）
程序的分段地址空间。每一次的内存访问，通过软件的映射，这个开销是很大的。所以需要硬件机制来实现内存的分段机制。
2、 硬件方案
1、非连续内存分配：分段
- 分段：分段机制就是想，根据应用程序的特点，来进行有效的分离和管理。
1.在分段的机制之下，应用程序看起来就是以下图。
计算机程序由各种部分组成的：1.代码执行方面有主程序、共享库、子程序，形成了代码不同的分段。2.数据方面：堆栈端、共享段。而我们需要一种方法将各种段区分出来，那么分段可以更好的分离和共享。
2.分析逻辑地址和物理地址
- 从应用程序编写和运行来说，虚拟的逻辑地址空间是一个连续的地址空间，虽然是连续的，但是我们可以有效的隔离。将各种段进行分离，好处就是：可以让用户的代码段，和主程序段能够相互共享。而有些数据与数据之间是相互隔离的。更有效的管理和分配，更容易实现保护机制。
- 左边是连续的逻辑地址，右边是不连续的物理地址。那么中间是需要映射机制，相互之间进行对应的关联。
3.逻辑地址通过映射到内存中
- 可以把运行的执行程序的逻辑地址：看成一个连续的一维线性数组，通过映射关系把不同的内存块（代码、数据、堆栈）分别不同的映射到内存中去。
4.分段寻址方案
- 一维逻辑地址是有不同的段组成的，段可以不连续。将一维逻辑地址分为两块，一块是段寻址，一块是段内偏移寻址
5.分段的具体实现：
- 从一个线性逻辑地址，从段空间映射到物理空间。物理空间是由不同的段组成的。
- 左上角是正常运行的程序p，通过CPU运行各种指令，CPU就要去寻址（找到数据、代码在什么地方），地址会采用单一的段地址管理机制，把逻辑地址分为两块：上半部分是断号，下面是段内偏移。
- 通过断号希望能找到，段所在物理空间的起始地址。需要硬件机制，称为【段表】
- 段表存在映射关系，逻辑地址的段号和物理地址的断号相对应关系。
- 每个段大小不一样，需要了解段的起始地址、和限制是多少。这个信息放在段表里面的。
- 段表有两部分：1.段的起始地址。2.段的长度限制。
- 操作系统来建立段表之后，段机制就会正常工作了。段表的索引项index，段号来决定的，段号决定了段表的哪一项位置。就可以知道段的物理地址的起始地址以及长度限制。CPU就会做比对，段的限制是否满足本身表示的地址，如果满足，则是合法的寻址，如果不满足，那么超出了段的范围，就是非法访问。CPU产生异常交给操作系统，操作系统来决定访问是否有问题，有问题则kill。
- 如果访问合法，地址符合段的限制，那么将起始地址 加上 逻辑地址的偏移量 =物理地址。
- 根据最右侧的图，根据物理地址去查找相应数据，进行取出来，交给CPU做进一步处理。
三、非连续内存分配：分页
分段在现有的CPU硬件环境中用的比较少的。现在绝大数CPU还是用分页机制比较多。
1、分页地址空间
- 分页的页尺寸是固定不变的。
- 页帧：是物理地址内存布局方式。由两部分组成，页帧号，页帧的偏移地址。
3. 页帧的例子：物理页的寻址方式
有一个16位的物理地址空间，每一个页帧大小512字节，也意味着偏移地址9个bit。给出页帧号为3，页帧偏移地址是6.物理地址的位置是：1543.
f代表页帧号=3. 页帧偏移地址为6.
2、逻辑页寻址方案
用页来表示，页的set和页帧号的set可能不一样。 每个页的和页帧大小是一样的。
1.如何完成地址装换
- 当一个程序需要运行时，本身的逻辑地址是一个连续的地址空间，是由每一个页组成的，每页的大小是相同的。整个程序的容量可能和物理空间是不一样的。程序占了很大的空间，但是物理地址可能没有那么大。
- 如何完成映射？程序运行时，CPU会去寻址，无论是执行指令还是访问数据，都需要指令和数据的位置。而寻址需要知道地址，地址是逻辑地址或者虚拟地址。逻辑地址是由CPU下面的图来表示的，地址分了两块，一块是页内偏移地址o，一块是页号p。页号作为一个index索引，根据页号就可以在[pagetable]查出所对应的号是多少（pagetable相当于数组）。（总结前面一句话，通过页号知道了蒸号+Offset=物理地址）。知道了物理地址，就可以根据物理地址找到对应的物理位置。
- pagetable是由操作系统来建立。
2.分页机制需要注意的地方：
- 页内偏移地址是固定不变的。
- 逻辑页的空间大小，和帧物理组织的大小不一致。一般来说逻辑空间地址大于物理地址空间，
- 逻辑地址是连续的，但是物理内空间不一定连续了。这样有利于减少碎片。
四、页表
页表如何实现？如何高效、节省空间？
1、页表概述
- 页表就是一个大数组，索引就是页号，索引所对应的页表项的内容就是帧号。
- CPU会查页表在什么地方，起始地址在什么地方。
- CPU由逻辑地址的页号去页表中差对应的物理内存的页号
- 通过物理页号加上偏移地址得到实际的物理地址
2、列表转换的例子
- 内存空间的大小，逻辑地址空间有16bit，说明有64k的地址空间，但是物理空间只有32kb，逻辑空间和物理空间不一致。但是每页的偏移是一样的，每页的大小是一样的。页和页帧大小都是1K（1024）
- （4,0）逻辑页号是4，页内偏移地址是0.
- （3,1023）逻辑页号是3，页内偏移地址是1023.对应物理页内是多少呢？？
- 首先CPU找逻辑地址，
- 看（4,0）。看页表，红的的滞留位：0代表不存在，1代表存在。这物理页就是页帧，在内存是不存在的。如果CPU访问了这个地址，产生一个异常。
- 看（3,1023）。红色的滞留位：是1代表对应的物理页帧，确实在物理中存在。对应的页帧号是（00100）——》帧号是4. 对应的物理地址的页帧号是4。 页帧的偏移是1023。
- 页表项有两种情况，物理页帧是否存在。物理页帧不存在，出现异常，操作系统就会进一步处理。存在就找到物理存在的地址。
从逻辑地址到物理地址的转换，问题是：1是空间的代价问题。2是时间的开销问题。
我们希望是占用空间越小越好，效率和速度越快越好。
每个应用程序都有自己的页表，那么页表所占空间非常大。空间大了CPU放不下，如果放内存里面，每次寻址，需要去内存寻址，那么时间消耗很大。
- 那么解决时间空间问题，
- 就是【缓存】，将常用的内容，放到离CPU很近的地方。
- 就是【间接访问】，将大的空间，拆分小的空间。
2、转换后缓冲区（TLB）
cache缓冲，就是缓冲页表内得内容。
- TLB是一个特殊的区域，位于CPU内部，包含两项一个是p/f值。key和value这两对形成TLB的表象。可以将经常访问的页表项，放到TLB。从而提高速度。这样不需要查页表了，当CPU得到逻辑地址后，根据P查询TLB，得到F。f加上偏移地址直接得出物理地址，这样就直接根据物理地址找内容。这样就避免了对页表的访问。
2.当访问TLB不到的时候，CPU就会去查页表，页表有对应的一项，如果存在位是1的话，那么就把Fram num号取出来，那么交给TLB进行存储机制。将常用的放到TLB。不常用的去页表中进行查询，取出来，在交给TLB。
五、二级、多级页表
1、TLB将速度解决了
通过TLB有效的把常用的页表项，缓存到CPU中。从而地址关系很快，多次去查询页表，从而多次访问内存。这样速度上有效的解决了。
2、那么页表的空间问题如何解决呢？
- 可以用多层次多级的页表来缓解问题。
1. 二级页表：时间换空间。
将物理号分为两部分，偏移地址没有变。这个使得大地址的寻址，变成n个小的page table的寻址。
过程：
1.将物理页号分为两块为P1p2，寻址是首先找的是P1级列表，1级的起始列表CPU是知道的，加上index，可以在页表项进行查找，存上二级页表的起始地址。 二级起始地址知道后，
2.由于两页表，开销边大。通过这种方式使得，某一项不存在映射关系页表项，没必要占用内存了。P1指向的页表项，不存在的话（也就是说滞留位是0，代表映射关系不存在）。那么二级pagetable没必要 在里面放着了。
2. 多级页表，建立页表树
六、页表-反向页表
问题：页表的大小都和逻辑地址空间大小有对应关系，逻辑空间越大，起始页表越多。页表的大小与逻辑空间的大小，尽量减小关系。尽量与物理空间大小建立关系。
都是以逻辑页的页号作为index索引大数组，那么能不能用（页帧号就是物理页号）物理页作为index，来查找对应的逻辑页号呢？
1、基于页寄存器的方案
- 可以理解为：有一个也寄存器的数组，里面的index变了，不是页号，而是物理页号（页帧号），根据物理页号可以查出页号是多少。
- 页帧号为索引，内容为页号。（前面将的是页号为索引，页帧号为内容）
- 这种方式使得，计算机的容量，之和物理页地址大小相关，而与逻辑地址大小是无关的。限制了计算机的数量。
问题是：如何根据页号找到页帧号？ 好处是占的空间很小
2、基于关联内存的方案
可以并行的根据页号，查找页帧号。K是页号，V是页帧号
3、基于哈希查找的方案
用硬件加速的方式。为了提高效率，把哈希再加一个函数PID（当前运行程序的ID）。
