一、课程核心主题引入

这一讲，我要给大家讲的是真正的内存管理，也就是段和页结合在一起的内存管理方式。之前提到过，我们先学习了分段管理内存的工作原理，知道操作系统采用分段的方式，让用户程序能以分段的结构进行编写；后来又学习了分页管理内存，明白操作系统在管理物理内存时，通过分页机制更高效地利用内存。分段对用户和应用程序友好，分页对物理内存管理高效，所以这两种机制必须结合起来。

这一讲的关键，就在于探究段和页这两种机制如何结合，以及结合后实际的物理内存管理是什么样的。程序员希望用段来编写程序，物理内存希望用页来进行管理，而操作系统作为中间桥梁，既要让上层用户满意，又要高效管理下层物理内存资源，所以必须将分段和分页两种机制融合。接下来，我先给大家讲讲段页结合的思路，再深入探讨这种结合方式的具体实现。

二、段页结合的思路解析

1. 回顾分段与分页工作原理
   • 先来回顾一下分段是怎么工作的。想象一下，有一个程序和一块内存，我们在内存中采用分区的方法，根据程序分段的数量划分出相应的区域。比如程序分成两段，就割出两个区域，然后将用户程序中的段和这些区域建立映射，把代码段放在一个区域，数据段放在另一个区域，这样应用程序就放到内存的段中了。
   • 再看看分页的工作方式。物理内存会被打散成一页一页固定大小的片，我们的程序同样也会被打散。假设程序有两个段，将这两个段也打散成若干页，然后把这些页映射到物理内存的空闲页上，分页机制的工作就完成了。
2. 段页结合的具体方式

   • 现在要把段和页结合起来，该怎么做呢？仔细观察分段和分页的工作过程图，我们可以发现一个巧妙的方法。把程序中的段先映射到一个类似物理内存的地方，但它不是真正的物理内存，只是一个地址空间。这个地址空间可以划分成一块一块的，就像物理内存一样，不过划分出来的只是地址，还不能直接访问真实的物理内存，我们把它叫做虚拟内存。

   • 具体来说，从应用程序角度出发，在虚拟内存给定的地址空间上，割出一个区域给程序中的段，这样就实现了对段的支持，段有了对应的映射。但是虚拟内存本身不能直接使用，它只是一个虚拟的地址空间，所以还需要把虚拟内存中的段再分割成固定大小的页，然后将每页映射到物理内存上。经过这两次映射，就形成了既有段又有页的内存管理模式。

   • 从用户的角度看，程序对应到虚拟内存上，感觉就像在使用段，他们不用关心底层的复杂映射过程，只知道自己的程序段在一段地址空间上，并且可以像使用段一样连续地进行寻址访问。而从物理内存的角度，是把虚拟内存中的段映射到物理内存页上，实现了分页管理。通过引入虚拟内存这个概念，完美地将段和页结合在了一起，这就是段页式内存管理的核心轮廓。

三、段页同时存在时的重定位过程

1. 重定位的必要性
   我们已经知道段页是如何结合工作的了，但要让程序在内存中顺利运行，还需要进行重定位，也就是地址翻译。因为用户发出的逻辑地址，像程序中使用的段号加上段的偏移地址，需要经过转换，才能找到真正的物理地址，这样程序才能在内存中正确地取指执行。

2. 重定位的具体步骤

   • 当用户发出逻辑地址（段号 + 段偏移）时，首先要根据段表找到一个地址，这个地址是虚拟地址。在只有分段的情况下，这个地址就是物理内存地址，但在段页结合的模式下，它还不是真正的物理地址，只是虚拟内存中的地址。
   • 得到虚拟地址后，操作系统还要根据分页机制再进行一次映射。通过虚拟地址算出页号，再结合页内偏移，组合形成物理地址。最后，操作系统把这个物理地址发送到地址总线上，程序就能访问到真正的物理内存单元，取出数据或执行指令了。整个过程需要经过两层地址翻译，第一层基于分段，第二层基于分页，这样既支持了分段，又支持了分页，用户感觉自己在使用段，而物理内存则按照页的方式进行管理和分配。

四、段页式内存下程序载入内存的过程

1. 程序载入内存的总体步骤
   

   • 我们的目标是让操作系统管理内存，使用户程序能够放入内存并正常执行。在段页式内存管理下，程序载入内存的过程可以分为几个关键步骤。第一步，要在虚拟内存上割出一段区域，分配给用户程序的代码段、数据段等，然后建立段表，记录虚拟内存区域和程序段的对应关系，这一步相当于“假装”把程序段放入了内存。
   • 第二步，虽然在虚拟内存中有了映射，但程序还没有真正放到物理内存中，所以接下来要在物理内存中找到空闲页，建立页表，将虚拟内存中的区域和物理内存的页关联起来。通过磁盘读写操作，把程序真正载入到物理内存中。
   • 第三步，完成前面的操作后，程序已经在内存中了，但要能正常使用内存，还需要进行重定位，也就是前面讲的地址翻译过程，让程序中的地址能够正确对应到物理内存单元，这样程序就能顺利执行了。

2. 结合代码分析具体操作（以fork为例）
   
   
   
   

   • 我们从fork函数开始分析程序载入内存的过程。fork函数用于创建子进程，在这个过程中会涉及到内存的分配和映射。copy_process函数会进行一系列操作，其中copy_mem函数中的代码实现了关键步骤。

   • set_base等代码用于设置段表，这对应着第一步在虚拟内存上分配区域并建立段表的操作。通过计算，给每个进程分配一定大小的虚拟内存空间（如这里每个进程分配64兆），并将虚拟内存的起始地址赋给段表中的基址，完成对虚拟地址的分割和段表的初始化。

   • 接下来是分配物理内存和建立页表。由于子进程是通过复制父进程创建的，所以在copy_page_tables函数中，子进程可以共用父进程已经分配好的物理内存页，只需要拷贝页表即可。通过一系列代码操作，先确定父进程和子进程的页目录，为子进程分配新的页目录项（如果需要），然后将父进程页表中的内容拷贝到子进程的页表中，并将共享的页设置为只读，同时更新内存使用计数等信息。这样，父子进程就都有了自己的虚拟内存、物理内存，并且段表和页表都已正确建立，程序成功载入内存。
     

五、程序使用内存的过程及多进程地址分离

1. 程序使用内存的操作
   当操作系统把段表和页表做好后，程序就可以使用内存了。以*p = 7为例，假设p的逻辑地址经过编译后是300，首先根据逻辑地址（段号 + 段偏移）和段表中的基址算出线性地址（虚拟地址），然后内存管理单元（MMU）会根据虚拟地址和页表算出物理地址。由于这个地址转换过程如果用软件实现会比较慢，所以CPU设计了MMU这个硬件来自动完成转换功能。MMU算出物理地址（如7300）后，将其打到地址总线上，就把7存储到对应的物理内存单元中，实现了*p = 7的操作。
2. 多进程地址分离与相互影响消除
   • 当有多个进程时，比如父子进程执行同样的代码，子进程执行*p = 8，p还是300。在执行过程中，由于父子进程的段表基址不同（子进程的段表基址是根据其自身分配的虚拟内存计算的），所以算出的虚拟地址不同。
   • 又因为之前将共享的页设置为只读，当子进程要写入数据（如写入8）时，就会触发写时复制机制。此时会新申请一个内存页，修改页表，建立新的映射，将新的物理地址（如8300）与虚拟地址关联起来。这样，父进程和子进程就通过各自的映射表实现了地址的分离，避免了相互影响，每个进程都能独立地访问和使用自己的内存空间，就像我们之前讲过多进程在内存中相互影响的问题，通过段表和页表的配合，得到了完美解决。