關(guān)于內(nèi)存管理的一個(gè)小問(wèn)題

lxy572535121

一直在看內(nèi)存管理的分段機(jī)制，向各位大俠求教一下

我們知道邏輯地址包括16位的段選擇符加上32位的偏移量

段描述符中包含32位段基址和20位段限長(zhǎng)以及若干位段屬性

邏輯地址向線性地址轉(zhuǎn)換時(shí)首先通過(guò)段選擇符找到段描述符

然后段描述符中的32位基地址加上32位偏移量就得到了線性地址

那么問(wèn)題來(lái)了，
1.段限長(zhǎng)都是20位那么段偏移量是32位有什么意義？為啥偏移量不是20位
2.虛擬地址空間是2的14次方乘以4G即64T，而線性地址空間是4G，這個(gè)轉(zhuǎn)換的過(guò)程到底是什么樣的？，始終沒(méi)想明白，求解答

Buddy_Zhang1

既然樓主發(fā)問(wèn)了，我就來(lái)解釋一下其中的原因。

  要了解這個(gè)問(wèn)題，首先我們需要知道 4 種地址，即虛擬地址，邏輯地址，線性地址和物理地址。每種地址的理解如下：
  1. 虛擬地址
      每個(gè)進(jìn)程運(yùn)行時(shí)，只看得到自己在整個(gè)內(nèi)存中運(yùn)行，它會(huì)認(rèn)為整個(gè)內(nèi)存都是它的，此時(shí)，從進(jìn)程的角度來(lái)看，內(nèi)存提供的地址叫做虛擬地址。
      虛擬地址也就是進(jìn)程直接接觸的內(nèi)存地址。
  2. 邏輯地址
      為了讓進(jìn)程覺(jué)得只有它一個(gè)進(jìn)程在使用整個(gè)內(nèi)存，而不被其他進(jìn)程干擾，內(nèi)核使用了分段機(jī)制，將內(nèi)存分做一段一段的，每個(gè)段里面包含了代碼段，數(shù)據(jù)段
      和其他各種段，內(nèi)核使用段機(jī)制隔離了進(jìn)程直接的內(nèi)存訪問(wèn)。此時(shí)，內(nèi)核使用邏輯地址來(lái)尋址每個(gè)段。邏輯地址有一個(gè)段選擇符合一個(gè)偏移值構(gòu)成。
      段選擇符是由 20 位的段寄存器構(gòu)成，偏移值由 32 位值構(gòu)成。
      邏輯地址在尋址時(shí)，先通過(guò)段選擇符在 GDT 或 LDT 中獲得段描述符，段描述符有 8 字節(jié)構(gòu)成，段選擇符從 GDT 或 LDT 中獲得段描述符之后，
      段描述符中函數(shù)該段在線性地址空間中的基地址，基地址由 32 位長(zhǎng)。獲得基地址之后，在和偏移值相加，就能獲得線性地址。
      所以邏輯地址是相對(duì)分段機(jī)制而言。
  3. 線性地址
      線性地址也就是內(nèi)核虛擬內(nèi)存層次的地址，32 位系統(tǒng)中，虛擬內(nèi)存將內(nèi)存看做一個(gè)連續(xù)長(zhǎng)度的地址空間，其長(zhǎng)度為 2 的 32 次方，也就是 4G。
      線性地址主要負(fù)責(zé)分頁(yè)機(jī)制下將虛擬內(nèi)存對(duì)應(yīng)到物理內(nèi)存。
  4. 物理地址
      物理地址，顧名思義就是硬件內(nèi)存的地址，該地址表示硬件內(nèi)存存儲(chǔ)器上的地址。

通過(guò)上面的前提，
  對(duì)于問(wèn)題一：
       段限長(zhǎng)的粒度是由段描述符中的 G 標(biāo)志位控制，該位置位時(shí)表示段的限長(zhǎng)為 4Kb~4G， G位清零，段限長(zhǎng)為 1B ~ 1M。
       邏輯地址空間最多包含 16K 個(gè)段，而每個(gè)段長(zhǎng)最長(zhǎng)可以是 4G， 是的虛擬地址空間最大長(zhǎng)度為 64T。
       段限長(zhǎng)是 20 位，那么也就是按 G 值位的情況算，每個(gè)段長(zhǎng)為 4G， 所有需要使用 32 位偏移來(lái)尋址 4G 里面的內(nèi)容。

     問(wèn)題 2
      虛擬地址是在邏輯地址之上，也就是每個(gè)進(jìn)程都有一個(gè)虛擬地址，該虛擬地址長(zhǎng)為 4G，進(jìn)程是運(yùn)行在分段機(jī)制之上
      由于分段機(jī)制的存在，它會(huì)讓進(jìn)程感覺(jué)整個(gè) 4G 的虛擬地址空間都由它獨(dú)享。段機(jī)制會(huì)將進(jìn)程才分成一個(gè)個(gè)數(shù)據(jù)段，代碼段等。
      也就是說(shuō)虛擬地址最終會(huì)轉(zhuǎn)換為邏輯地址。
      虛擬地址的轉(zhuǎn)換可以理解為如下：
     1. 虛擬地址正在由一個(gè)進(jìn)程在使用，該進(jìn)程任務(wù)虛擬空間由它獨(dú)享。該進(jìn)程的 TSS 里面存儲(chǔ)了各種段寄存器的信息。
     2. 每個(gè)進(jìn)程都會(huì)有各自的代碼段，數(shù)據(jù)段等，例如這些段的地址會(huì)表示為 0x8004800 開(kāi)始的 4K 是代碼段， 0x8004900 開(kāi)始的 4K 是數(shù)據(jù)段。
     3. 虛擬地址轉(zhuǎn)換為邏輯地址是會(huì)先讀取該進(jìn)程對(duì)應(yīng)的段寄存器，譬如 CS，GS，F(xiàn)S，SS 等，該寄存器里存放段選擇符。比如 CS 的值位 0x8，那么他就以該值位索引，
         在 GDT 或 LDT 中查找段描述符，如 GDT[CS] -> 段描述符，獲得段描述符之后，從段描述符中獲得線性地址的基地址。
     4. 獲得基地址之后，使用基地址加上偏移值，就可以獲得對(duì)應(yīng)的線性地址。

綜上所述，可知
   

_nosay

回復(fù) 1# lxy572535121

1. 你是出于什么考慮，要求指定限長(zhǎng)的位數(shù)必須與指定偏移的位數(shù)相等？假設(shè)系統(tǒng)就是限制段的長(zhǎng)度最大1M，你寫(xiě)的應(yīng)用程序如果需要大量?jī)?nèi)存，一個(gè)段滿足不了你，那多分配幾個(gè)就是了，雖然你可能覺(jué)得不爽，但并沒(méi)有什么不行的呀，更何況段描述符里有個(gè)G標(biāo)志，也可以表達(dá)大的長(zhǎng)度；
2. 虛擬地址范圍還有這樣算的呀？32位系統(tǒng)，指針變量32位，你如何表達(dá)64T的地址？就算按照你的思路，你說(shuō)的這些段也是重疊的，不能用乘法。

Buddy_Zhang1

回復(fù) 3# _nosay

作者這樣提問(wèn)沒(méi)有任何問(wèn)題，
他是對(duì)邏輯地址產(chǎn)生疑問(wèn)，而且 32bit 的系統(tǒng)虛擬地址表示 64 T 沒(méi)有問(wèn)題， 32bit 系統(tǒng)線性地址必須是 4G， 物理地址可以大于 4G。

_nosay

回復(fù) 4# Buddy_Zhang1

1. 虛擬地址、邏輯地址、線性地址、物理地址，不能硬生生說(shuō)成4種地址，拿80386來(lái)說(shuō)，A1->段式映射->A2->頁(yè)式映射->A3，你如何拿這4種地址與A1、A2、A3對(duì)應(yīng)上？2. 你對(duì)分段機(jī)制要解決的問(wèn)題，理解是錯(cuò)誤的。讓每個(gè)進(jìn)程覺(jué)得自己獨(dú)占內(nèi)存，那是保護(hù)模式要解決的事，如果靠分段就解決進(jìn)程間相互干擾，實(shí)模式下用分段為什么還是會(huì)相互干擾？
    段寄存器最初出現(xiàn)在8086上，解決ALU16位，地址總線20位的問(wèn)題，而80386仍然保留段寄存器，是為了兼容性。
3. 段式管理的"段"和代碼"段"/數(shù)據(jù)"段"，根本就是沒(méi)有關(guān)系的兩樣?xùn)|西，每個(gè)段里包含了代碼段、數(shù)據(jù)段和其它各種段，怎么講？
4. 虛擬地址最多包含16K個(gè)段，又是怎么講？
    是因?yàn)楸Ｗo(hù)模式下段寄存器高13位為段描述符索引嗎？那也是8K個(gè)呀。即使不知道你從哪算的16K，你拿它跟4G相乘，就表示你期望每個(gè)段都能表示4G范圍，那肯定都重疊在0-4G呀，32位變量，怎么能表示出64T？
5. 在32位系統(tǒng)，你能寫(xiě)個(gè)程序，反匯編可以看見(jiàn)，或者可以打印一個(gè)動(dòng)態(tài)分配超過(guò)4G的地址嗎？
6. 20的寄存器，是筆誤嗎？
7. 線性地址負(fù)責(zé)通過(guò)頁(yè)式映射將虛擬地址轉(zhuǎn)換成物理地址，你知道自己在說(shuō)什么嗎？
8. sorry

lxy572535121

回復(fù) 3# _nosay
對(duì)于問(wèn)題1我當(dāng)時(shí)是這樣想的：既然段限長(zhǎng)是1M，那么我們可以把32位段基址的低20位置為零，然后偏移量只要用20位就剛好可以使地址在段限長(zhǎng)的1M內(nèi)變化，這樣就不用浪費(fèi)多余的位（當(dāng)時(shí)沒(méi)考慮到G標(biāo)志）
然后現(xiàn)在又有這樣的問(wèn)題：1.段基址有32位，偏移量有32位，都可以尋址4G，用兩個(gè)不是浪費(fèi)么？只要一個(gè)32位的偏移量就可以尋址4G了
2.兩個(gè)分段不會(huì)重合么?例如一個(gè)段基址加上對(duì)應(yīng)的偏移量不會(huì)跑到另一個(gè)段的范圍內(nèi)么？

劍魂簫心

回復(fù) 4# Buddy_Zhang1

爻易

段限20位，但單位是可調(diào)的。還有一個(gè)粒度位，設(shè)置為1后，段限是以4K為單位的。4K本身有12位，合起來(lái)實(shí)際段限為32位。

Buddy_Zhang1

回復(fù) 7# 劍魂簫心

32 位系統(tǒng)的物理地址使用 PAE 可達(dá) 64 G， 但線性空間必須是 4G， 虛擬地址和線性地址不是同一個(gè)概念！

_nosay

6# lxy572535121

[size=43.1692px]   這樣考慮，偏移位數(shù)與限長(zhǎng)位數(shù)相等就夠了。    8086為了方便用16位的偏移得到20位的地址，想到了分段的方法，所以把內(nèi)存分成一段一段的不是最終目的，而是為了另外一個(gè)目的，當(dāng)時(shí)也并沒(méi)有考慮從一個(gè)段跨到另一個(gè)段的問(wèn)題，因?yàn)槎渭拇嫫鞯?6位值，和偏移里的16位值，全都用于計(jì)算目的地址，連個(gè)表示長(zhǎng)度的地方都沒(méi)有；
    80386還是純粹為了尋址的話，就如你說(shuō)的，用一個(gè)32位值就行了，連段寄存器都不需要了，但它要考慮兼容老cpu上的程序，還要支持保護(hù)模式。所以除了需要一個(gè)32位值表示基址，還需要20位值+G表示長(zhǎng)度，以及其它位表示別的屬性，這正是段描述符結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的依據(jù)，以及80386保護(hù)模式下改變段寄存器含義的原因。
    另外，保護(hù)模式可以基于段式管理設(shè)計(jì)，也可以基于頁(yè)式管理設(shè)計(jì)，段式管理并不是保證每個(gè)進(jìn)程有獨(dú)立空間必不可少的東西。