虚拟内存的影响以及分页和分段之间的关系

Question

这是我的第一篇文章。我想问一下虚拟内存与分页和分段的关系如何。我在互联网上搜索了几天，但仍然无法正确处理这些信息。这是到目前为止我所知道的：

我们可以讨论内存中的地址（可以说是内存抽象级别）：

• 物理级别（CPU与内存控制器对话，“嘿，给我地址0xFFEABCD的内容”，这些地址是RAM中单元的地址，因此单元0xABCD的物理地址为0xABCD。内存控制器只能使用物理地址，因此，如果地址不是物理地址，则必须将其更改为物理地址。

• 逻辑级别。这是对物理地址的抽象。在此处理是否要求内存（假定成功分配）的地址，该地址与RAM中的单元没有直接关系。我们可以说这些地址与物理地址来自不同的池（世界？）。如前所述，内存控制器仅了解物理地址，因此要使用逻辑地址，我们需要将其转换为物理地址。操作系统可以通过两种方式创建逻辑地址：

  • 分页-将物理内存（RAM）分为连续的内存块（称为帧），而逻辑内存（另一个世界）也分为相同长度的块（称为页面） ）。现在，操作系统保持在称为页表的RAM数据结构中。它是一个关联数组（映射），其主要存在目的是将逻辑级别的地址转换为物理级别的地址。分页具有以下效果：RAM中的进程分配的内存（因此在属于程序的物理内存中的帧中）可能不是连续的（因此内部可能有空洞）。

  • 分段-程序分为称为分段的部分。段的大小不是固定的，因此不同的段可能具有不同的大小。程序分为几个部分，每个部分在RAM（物理）存储器中都有自己的位置。因此，一个线段（称为sementA）和另一个线段（称为sementB）可能彼此不靠近。换句话说，segmentA不必将segmentB作为邻居。

    内部碎片-当属于进程的内存未100％使用时。因此，如果进程要使用2个字节，则OS需要分配总页数大于或等于程序请求的内存量的页面。页面的典型大小为4KB。 OS为其提供内存以供处理的单位是页面。因此它不能少于4KB。因此，如果我们使用2个字节，则会浪费4KB-2B = 4094个字节（内存与我们的进程相关联，因此其他进程无法使用它。只有我们可以使用它，但我们只需要2B）。

    外部碎片-当分配的内存块彼此相邻时，但是它们之间有一个小孔。它是免费的，因此其他程序也可以使用它，但它非常小，因为它很小。高概率的漏洞将被浪费。更多的漏洞-浪费的内存。

    分页可能会导致内部碎片的影响。分段可能会导致外部分段的影响。

• 虚拟级别-虚拟内存中使用的地址。这是逻辑内存级别的扩展。现在，程序甚至不需要在RAM中拥有所有已分配的页面即可开始执行。可以使用以下技术来实现：

  • 分页细分-将细分分为页面的方法。
  • 分段分页-使用较少的方法，但也可以。

  将它们结合起来对两种解决方案都具有积极意义。

  我所读到的有关虚拟内存利弊的内容：
  PROS ：

  • 进程具有自己的地址空间，这意味着如果我们有两个进程A和B，并且它们两个都有指向地址的指针，例如。 17 processA指针将显示与processB中的指针不同的帧。这导致更大的过程隔离。进程之间相互保护（因此，如果一个进程不是共享内存，那么一个进程就不能与另一个进程内存做事，因为在它的映射中不存在这样的映射条目），并且OS可以更好地免受进程的侵害。
  • 具有比物理一阶内存（RAM，由于要交换到二阶内存）更多的内存。
  • 由于以下原因，可以更好地使用内存：
    • 将程序中未使用的部分交换到辅助存储器中。
    • 使共享页面成为可能，也使“写时复制”成为可能。
  • 改进的多程序功能（当不需要的程序部分换出到辅助内存时，它们会在ram中腾出可用空间，可用于新过程。）
  • 提高了CPU利用率（如果可以将更多的进程加载到内存中，则比现在需要某些程序需要CPU而不是IO的程序更有可能。在这种情况下，您可以更好地利用CPU）。

  缺点：

  • 虚拟内存有开销，因为我们需要两次访问内存（但是在这里使用TLB缓冲区可以实现很多改进）
  • 这使操作系统部分的内存管理更加复杂。

所以我们来到了我不太了解的部分：

1. 为什么在某些源中将逻辑地址和虚拟地址描述为同义词？我有什么问题吗？

2. 虚拟内存真的在为进程提供保护吗？我的意思是，例如，在分段中，还检查进程是否不访问其他内存（如果这样做会导致segfault），分页在页表中也有一个保护位，所以保护不是来自简单地扩展了逻辑级地址？如果VM（虚拟内存）具有扩展保护功能，它们是什么以及它们如何工作？换句话说：确实为每个进程创建了单独的地址空间，带来了扩展的内存保护。如果是这样，没有VM不能进行分页？

3. 分页分段与分段分页之间的真正区别是什么。我知道这两者之间的区别将是地址的构造方式（页码，段号等），但是我想这不足以开发两种策略。这个原因无可厚非。我读到分段分页的弹性较小，这就是为什么很少使用它的原因。但是为什么它的弹性较小？这样做的原因是，在程序中您只能有几个段而不是很多页面。如果这样的话，分页确实允许更好的“粒度”。

4. 如果VM为每个进程分配单独的地址空间，是否意味着没有VM的页面调度使用“一个池”中的逻辑地址（在这种情况下，每个逻辑地址是否全局唯一）？

在该主题上的任何帮助将不胜感激。

编辑：＃1
好。我终于明白，按需分页也是虚拟内存。我只是发现一些澄清有助于理解该主题。以下是我为可视化差异而制作的图像的链接。感谢您的帮助。

differences between paging, demand paging and swapping

Answer 1

  

为什么在某些来源中将逻辑地址和虚拟地址描述为同义词？我有什么问题吗？

许多来源将逻辑和虚拟内存转换混合在一起。在过去，逻辑地址转换是在没有虚拟地址转换的情况下进行的，因此处理器文档将它们视为相同。

现在，我们拥有使用逻辑内存转换而没有虚拟内存的大型内存系统。

  

虚拟内存真的在为进程提供保护吗？

这是实现页面保护的逻辑内存转换。

  

分页分段与分段分页之间的真正区别是什么。

您实际上可以忽略细分。 1970年后没有设计合理设计的处理器体系结构使用细分市场，而这些细分市场最终将消失。

  

如果VM为每个进程分配了单独的地址空间，这是否意味着没有VM的页面调度会使用“一个池”中的逻辑地址

它是逻辑存储器，为每个进程创建单独的地址空间。分页是虚拟内存。你不能一无所有。